光致发光光谱一
光致发光谱的测试步骤
光致发光谱的测试步骤
光致发光谱是一种测试材料在受到光激发后所发射的光的能量分布的方法。
以下是光致发光谱的一般测试步骤：
1. 准备样品：选择需要测试的材料，并将其制备成适合测试的样品形式，如固体、液体或薄膜。
2. 设置仪器：根据测试要求，选择适当的光激发源和光收集系统。
确保光源和检测器都被校准并按照正确的设置工作。
3. 调整光激发条件：根据材料特性和预期的测试结果，调整光激发源的功率、波长和激发时间。
这可以通过改变光源的滤光片、换光源或调整激发时间等方式来实现。
4. 开始测试：将样品放置在适当位置，并打开光激发源以激发材料。
使用适当的光收集系统收集样品发射的光信号。
5. 记录发光谱：将收集到的光信号通过光谱仪或光检测系统进行记录和分析，得到样品在各个波长下的发光强度。
6. 数据分析：根据所得到的发光谱数据，分析材料的发光特性，包括峰值位置、峰值强度、发光衰减等。
可以利用此数据来确定材料的性质，如材料的能带结构、缺陷能级等。
7. 结果解释：根据数据分析的结果，解释样品的发光特性并与已有的理论或文献进行对比和验证。
需要注意的是，以上步骤只是一般的光致发光谱测试步骤，具体的实验步骤和方法会根据不同的实验目的和样品特性有所不同。
因此，在具体实施光致发光谱测试时，需要根据实际情况进行调整和优化。
PL简介PPT课件
二、基本原理
半导体受入射光 激发以后，电子 由于吸收光子的 能量而处于激发 态，由于激发态 是不稳定的，会 最终回到较低的 能量状态，在此 过程中产生无辐 射的弛豫和辐射 复合发光现象。
内转换 振动弛豫内转换
S
系间窜
2
越
S1 能
T1 T2
量
吸 收
发
发
射 荧
外转换
射磷振动弛豫
光
光
S0
l1
l2 l2
2、杂质识别
– 根据特征发光谱线的位置，可以识别GaAs和GaP中的微量杂质。
3、硅中浅杂质的浓度测定 4、辐射效率的比较
– 半导体发光和激光器件要求材料具有良好的发光性能，发光测 量正是直接反映了材料的发光特性。通过光致发光光谱的测定 不仅可以求得各个发光带的强度，而且也可以的到积分的辐射 强度。在相同的测量条件下，不同的样品间可以求得相对的辐 射效率。
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四、应用
光致发光光谱是一种探测材料电子结构的方法，它与材料无接触且不 损坏材料。光直接照射到材料上，被材料吸收并将多余能量传递给材 料，这个过程叫做光激发。这些多余的能量可以通过发光的形式消耗 掉。由于光激发而发光的过程叫做光致发光。光致发光的光谱结构和 光强是测量许多重要材料的直接手段。光激发导致材料内部的电子跃 迁到允许的激发态。当这些电子回到他们的热平衡态时，多余的能量 可以通过发光过程和非辐射过程释放。光致发光辐射光的能量是与两 个电子态间不同的能级差相联系的，这其中涉及到了激发态与平衡态 之间的跃迁。激发光的数量是与辐射过程的贡献相联系的。
2020/9/16
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三、光谱仪基本构造
反射
真空泵
镜
透镜
斩波器
光致发光(PL)光谱
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2019/4/27
中心位于1.1eV的发光峰带。
图4 高质量CZT晶体PL谱的近带边区
该PL谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（D0, X）。 而CdTe和Cd0.96Zn0.04Te在该区域内的主发光峰则通常为 受主－束缚激子峰（A0,X）。在Cd0.9Zn0.1Te晶体的近带 边 区 的 PL 谱 除 此 之 外 ， 还 可 以 看 到 基 态 自 由 激 子 峰 （X1）、上偏振带峰（Xup）以及第一激发态自由激子峰 （X2）。对于质量较差的CZT晶体，无法看到其自由激 子峰（X1）和一次激发态自由激子峰（X2）。低温PL谱 可以用来比较全面的评价CZT晶体的质量，并由此来推 断晶体的探测性能。
测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛 刻的要求。
对于深陷阱一类不发光的中心，发光方法 显然是无能为力的。
四、光致发光分析方法的应用
1、组分测定 例如，GaAs1-xPx是由直接带隙的GaAs和间接带
隙的GaP组成的混晶，它的带隙随x值而变化。发光 的峰值波长取决于禁带宽度，禁带宽度和x值有关。 因此，从发光峰峰值波长可以测定组分百分比x值。
光致发光（PL）光谱
一、光致发光基本原理
1. 定义：所谓光致发(Photoluminescence)指的是以光 作为激励手段，激发材料中的电子从而实现发 光的过程。它是光生额外载流子对的复合过程 中伴随发生的现象
2. 基本原理：由于半导体材料对能量高于其吸收限的光 子有很强的吸收，吸收系数通常超过104cm-1，因此在 材料表面约1μm厚的表层内，由本征吸收产生了大量的 额外电子-空穴对，使样品处于非平衡态。这些额外载 流子对一边向体内扩散，一边通过各种可能的复合机构 复合。其中，有的复合过程只发射声子，有的复合过程 只发射光子或既发射光子也发射声子
光致发光(PL)光谱
e-D+
e-h e-h
e-A
声子参加
D-h
D-A
(a)
(b)
(c)
图1 半导体中多种复合过程示意图（a）带间跃迁（b）带－ 杂质中心辐射复合跃迁（c）施主－受主对辐射复合跃迁
在这个过程中，有六种不同旳复合机构会发射光 子，它们是： （1）自由载流子复合 —— 导带底电子与价带顶空穴 旳复合； （2）自由激子复合 —— 晶体中原子旳中性激发态被 称为激子，激子复合也就是原子从中性激发态向基态 旳跃迁，而自由激子指旳是能够在晶体中自由运动旳 激子，这种运动显然不传播电荷； （3）束缚激子复合 —— 指被施主、受主或其他陷阱 中心(带电旳或不带电旳)束缚住旳激子旳辐射复合，其 发光强度伴随杂质或缺陷中心旳增长而增长；
）是表征材料纯度旳主要特征参数。
6、少数载流子寿命旳测定
7、均匀性旳研究 测量措施是用一种激光微探针扫描样品，根据样
品旳某一种特征发光带旳强度变化，直接显示样品旳 不均匀图像。
8、位错等缺陷旳研究
图3 CZT晶体在4.2K下经典旳PL谱。该PL谱涉及四个区域： （1）近带边区；（2）施主－受主对（DAP）区；（3）受主 中心引起旳中心位于1.4eV旳缺陷发光带；（4）Te空位引起旳
2、光致发光旳缺陷
它旳原始数据与主要感爱好旳物理现象之 间离得比较远，以至于经常需要进行大量 旳分析，才干经过从样品外部观察到旳发 光来推出内部旳符合速率。
光致发光测量旳成果经常用于相正确比较， 所以只能用于定性旳研究方面。
测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛 刻旳要求。
对于深陷阱一类不发光旳中心，发光措施 显然是无能为力旳。
（4）浅能级与本征带间旳载流子复合——即导 带电子经过浅施主能级与价带空穴旳复合，或价 带空穴经过浅受主能级与导带电子旳复合； （5）施主-受主对复合——专指被施主-受主杂质 对束缚着旳电子-空穴正确复合，因而亦称为施 主-受主对(D-A对)复合； （6）电子-空穴对经过深能级旳复合——即SHR 复合，指导带底电子和价带顶空穴经过深能级旳 复合，这种过程中旳辐射复合几率很小。
光致发光(PL)光谱 ppt课件
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e-h
e-h e-A 声子参与 D-h
e-D+
D-A
(a)
(b)
(c)
图1 半导体中各种复合过程示意图（a）带间跃迁（b）带－ 杂质中心辐射复合跃迁（c）施主－受主对辐射复合跃迁
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在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光
子，它们是： （1）自由载流子复合 —— 导带底电子与价带顶空穴 的复合； （2）自由激子复合 —— 晶体中原子的中性激发态被
（X1）、上偏振带峰（Xup）以及第一激发态自由激子峰
（ X2 ）。对于质量较差的 CZT晶体，无法看到其自由激 子峰（X1）和一次激发态自由激子峰（X2）。低温PL谱 可以用来比较全面的评价 CZT 晶体的质量，并由此来推 断晶体的探测性能。
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2、杂质识别 根据特征发光谱线的位置，可以识别GaAs和GaP 中的微量杂质。
12 3 、硅中浅杂质的浓度测定
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4、辐射效率的比较 半导体发光和激光器件要求材料具有良好的发光性 能，发光测量正是直接反映了材料的发光特性。通过 光致发光光谱的测定不仅可以求得各个发光带的强度 ，而且也可以的到积分的辐射强度。在相同的测量条 件下，不同的样品间可以求得相对的辐射效率。 5、 GaAs材料补偿度的测定 补偿度NA/ND（ND，NA分别为施主、受主杂质浓度 ）是表征材料纯度的重要特征参数。 6、少数载流子寿命的测定
2自由激子复合自由激子复合晶体中原子的中性激发态被晶体中原子的中性激发态被称为激子称为激子激子复合也就是原子从中性激发态向基态激子复合也就是原子从中性激发态向基态称为激子称为激子激子复合也就是原子从中性激发态向基态激子复合也就是原子从中性激发态向基态导带底电子与价带顶空穴的跃迁而自由激子指的是可以在晶体中自由运动的的跃迁而自由激子指的是可以在晶体中自由运动的激子这种运动显然不传输电荷
最新光致发光(PL)光谱
在上述辐射复合机构中，前两种属于本 征机构，后面几种则属于非本征机构。由此 可见，半导体的光致发光过程蕴含着材料结 构与组份的丰富信息，是多种复杂物理过程 的综合反映，因而利用光致发光光谱可以获 得被研究材料的多种本质信息。
）是表征材料纯度的重要特征参数。
6、少数载流子寿命的测定
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7、均匀性的研究 测量方法是用一个激光微探针扫描样品，根据样
品的某一个特征发光带的强度变化，直接显示样品的 不均匀图像。 8、位错等缺陷的研究
光致发光测量的结果经常用于相对的比较， 因此只能用于定性的研究方面。
测量中深陷阱一类不发光的中心，发光方法 显然是无能为力的。 __________________________________________________
四、光致发光分析方法的应用
真空泵
透镜
反射镜
滤光片
激光器
激光器电源
样品室
样品
透镜
狭缝
光电倍增管
单色仪
锁相放大器 计算机
制冷仪 图2 光致发光光谱测量装置示意图
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三、光致发光特点
1、光致发光的优点
光致发光分析方法的实验设备比较简单、 测量本身是非破坏性的，而且对样品的尺 寸、形状以及样品两个表面间的平行度都 没有特殊要求。
（4）浅能级与本征带间的载流子复合——即导 带电子通过浅施主能级与价带空穴的复合，或价 带空穴通过浅受主能级与导带电子的复合； （5）施主-受主对复合——专指被施主-受主杂质 对束缚着的电子-空穴对的复合，因而亦称为施 主-受主对(D-A对)复合； （6）电子-空穴对通过深能级的复合——即SHR 复合，指导带底电子和价带顶空穴通过深能级的 复合，这种过程中的辐射复合几率很小。
PL谱
激光器
激光器电源
狭缝
光电倍增管
锁相放大器 单色仪
样品室 样品 透镜
计算机
制冷仪 图2 光致发光光谱测量装置示意图
实验室仪器
氩离子激 光器电源
氩离子 激光器
He-Cd 激光器
样品架 样品室 (杜瓦瓶 杜瓦瓶) 杜瓦瓶
制冷仪
真空泵
TRIAX550 PL谱仪 谱仪
放大器
) 放置样品(晶片，粉体，薄膜 晶片 2. 抽真空 3. 降温 4. 激光器使用 5. 光谱仪自检 6. 校准 7. 样品发光光谱测量 8. 变温测量 9. 变功率测量 10.关机 关机
高质量CZT晶体 谱的近带边区 晶体PL谱的近带边区 图4 高质量 晶体
谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（ 该PL谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（D0, X）。 谱的主峰为中性施主的束缚激子峰 ） 而 CdTe和 Cd0.96Zn0.04Te在该区域内的主发光峰则通常为 和 在该区域内的主发光峰则通常为 受主－束缚激子峰（ 受主 － 束缚激子峰 （ A0,X） 。 在 Cd0.9Zn0.1Te晶体的近带 ） 晶体的近带 边区的PL谱除此之外中 ， 边区的 谱除此之外中， 还可以看到基态自由激子峰 谱除此之外中 （X1）、上偏振带峰（Xup）以及第一激发态自由激子峰 上偏振带峰（ 对于质量较差的CZT晶体， 无法看到其自由激 晶体， （ X2 ） 。 对于质量较差的 晶体 子峰（ 和一次激发态自由激子峰（ 低温PL谱 子峰（X1）和一次激发态自由激子峰（X2）。低温 谱 可以用来比较全面的评价CZT晶体的质量， 并由此来推 晶体的质量， 可以用来比较全面的评价 晶体的质量 断晶体的探测性能。 断晶体的探测性能。
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IV
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光致发光光谱
光致发光光谱光致发光光谱，又称发光荧光现象，是指某些物质在受到特定范围的电磁辐射，特别是紫外光的照射感应后，产生幅度很大的光谱，叫做发光荧光光谱。
它是一种较新的光谱学，是一种主要应用于分子尺度上的光谱技术，是由发射光谱和吸收光谱组成。
发射光谱是物质在受到特定范围的电磁辐射照射后，将其能量发射出去，产生的一组突出的发光信号，而吸收光谱则是在物质受到辐射的照射后，将辐射能量转换成其他能量，如热量、振动、化学反应等，给出的吸收现象。
光致发光光谱分为线谱和频谱，其中线谱是指受到电磁辐射照射后物质可能出现的光谱线；而频谱则是受照射后物质可能出现的频率。
由于受到辐射照射，物质中的分子会发生跃迁，能量会从低能量态跃迁至高能量态，每一次跃迁都会带来一个特定的光谱线或信号，而且每一条光谱线或信号的频率多采用“h（6.556×10的-27）v”的公式来表示。
光致发光光谱具有很多优点，主要有：1、它可以用来研究物质的结构和性质，可以更加准确地了解物质组成段落；2、它可以用来检测物质中含量较小的元素，可以达到检测纳米量的精度；3、它可以有效地检测气体，可以检测混合气体中的组成及比例；4、它还可以有效地检测生物分子中的结构，这项技术在很多应用场合（如医药、材料等）具有重要的意义；5、光致发光光谱的检测过程不损伤样品，同时它可以很快地给出结果。
光致发光光谱已在化学、材料学、生物医学和环境科学中得到广泛应用。
在化学领域，光致发光光谱用于研究物质的组成结构，可以检测各种元素及其分子结构。
在材料学方面，光致发光光谱主要用于对聚合物和其他有机材料的结构组成，以及聚合物材料的性质，如热稳定性和表面电性等的研究。
在生物医学领域，光致发光光谱可以用来检测生物体内的各种分子，如蛋白质、糖蛋白、基因表达谱等。
此外，光致发光光谱也可以用于环境科学研究，它可以用来检测空气中的污染物，如硫化物和氨气等，从而为环境保护贡献力量。
从上面可以看出，光致发光光谱具有许多优点和广泛的应用，它不仅可以用于科学研究，也可以用于工程实践和环境检测等领域。
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光致发光光谱研究（一）
碳纳米管直径处于纳米量级，为了解其内部结构，研究其光学
性质，就必须要借助一些工具。在大致掌握了依据拉曼光谱的强度、
数目和位移来研究碳纳米管结构的相关知识后，我们小组成员就光致
发光光谱的原理等进行了共同学习。
我们了解到用单色光激发样品价带电子或低能级上的电子并产
生空穴，这种激发态的弛豫过程可以是辐射跃迁、产生俄歇电子或产
生多个声子即发生非辐射跃迁。光是一种电磁辐射，发光就是物体内
部将某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程，是被激发了的粒子或
由这些粒子组成的系统所产生的本身固有的非平衡辐射。当发光又分
为分立发光和复合发光，前者发生在孤立的原子尺度的发光中心内，
后者发生在可以运动的载流子即导带中的电子和价带中的空穴之间，
载流子和导带附近的施主能级或价带附近的受主能级之间。非平衡载
流子通过各种辐射复合或无辐射复合向低能态跃迁，导致产生各种能
量的光子即光致发光。
光致发光光谱描述了光致发光强度随光子能量的分布。光致发光
光谱各个谱线结构的能量位置、谱形、相对强度以及它们随温度、压
强、激发强度等变化特性，反映了光致发光跃迁的内在机制，给出了
各种材料的各种光学特性。而且利用光致发光光谱可直接测量半导体
材料的带隙。因为光激发导致的电子激发态是一种非平衡态，其电子
可直接通过辐射复合回到基态，也可以弛豫到导带或价带中能量较低
的状态附近，然后再经辐射复合过程回到基态，即激发态的辐射复合
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寿命远大于发射声子等过程的弛豫时间，因此可用光致发光法直接测
量碳纳米管的带隙。