PL谱介绍
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
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
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
图3 CZT晶体在4.2K下典型的PL谱。该PL谱包括四个区域： （1）近带边区；（2）施主－受主对（DAP）区；（3）受主 中心引起的中心位于1.4eV的缺陷发光带；（4）Te空位引起的
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。
二、仪器及测试
测量半导体材料的光致发光光谱的基本 方法是，用激发光源产生能量大于被测材料 的禁带宽度Eg、且电流密度足够高的光子流 去入射被测样品，同时用光探测器接受并识 别被测样品发射出来的光。
它在探测的量子能量和样品空间大小上都 具有很高的分辨率，因此适合于作薄层分 析和微区分析。
el谱和pl谱的测试方法
el谱和pl谱的测试方法EL谱（Enzyme-linked Immunosorbent Assay）和PL谱（Plasmon Resonance Spectrum）是两种常见的实验方法，用于检测生物分子相互作用或测定特定物质的存在与浓度。
它们在生物医学研究领域具有重要的应用价值。
EL谱是一种免疫学方法，可用于检测抗原或抗体的存在及其浓度。
下面是EL谱的测试方法：1. 准备样品：收集需要检测的生物样品，如血清、细胞上清液等。
2. 涂覆固相：将待检测的抗原或抗体溶液加入固定在微孔板表面的特异性分子上，使其吸附。
3. 阻断非特异性结合：在固相上添加一种无关的蛋白质，如牛血清白蛋白（BSA），阻断非特异性结合位点，减少假阳性结果。
4. 加入待测样品：将待测样品加入微孔板中，使其中的抗原或抗体与固相上的特异性分子发生结合反应。
5. 清洗步骤：用洗涤缓冲液洗涤微孔板，去除未结合的物质。
6. 添加检测试剂：加入特定的酶标记抗体或底物，使其与待测物发生反应。
7. 反应终止：加入反应终止剂，停止酶反应。
8. 读取结果：使用ELISA阅读器测量吸光度，并根据标准曲线计算出待测样品中目标分子的浓度。
PL谱是一种基于等离子共振现象的光谱技术，可以实时监测生物分子相互作用的强度和动力学过程。
下面是PL谱的测试方法：1. 准备样品：制备含有待测生物分子的溶液，如蛋白质、DNA或药物。
2. 涂覆传感器芯片：将金属薄膜或纳米颗粒等材料涂覆在传感器芯片上，形成等离子共振表面。
3. 注射样品：将待测样品注射到传感器芯片上，并保持一定的流速。
4. 监测共振现象：使用激光或其他光源照射传感器芯片，通过检测共振角或共振波长的变化来监测生物分子的结合和解离过程。
5. 数据分析：根据共振角或共振波长的变化曲线，推导出生物分子的相互作用强度、亲和力等参数。
EL谱和PL谱都是常用的生物分析技术，具有各自的优势和适用范围。
选择合适的实验方法取决于具体的研究目的和材料特性。
通过光致发光光谱计算激子解离效率
光致发光光谱（photoluminescence spectrum, PL谱）是一种常用的表征半导体材料光学性质的手段。
通过激发光源照射样品，测量样品发射的光谱特性，可以得到样品的发光峰值、半导体材料的载流子寿命和激子解离效率等重要信息。
本文将通过光致发光光谱计算激子解离效率的相关理论及计算方法进行探讨。
1. 光致发光光谱的基本原理光致发光光谱是指当外界光照射到样品后，通过测量样品发射光的能谱和强度变化，研究样品内部载流子的复合和发光过程。
在激子体系中，激子解离是一个重要的过程，激子的解离效率对半导体材料的发光性能有着重要影响。
通过光致发光光谱可以间接的推断出激子解离效率，为进一步研究半导体材料的光学性质提供了重要手段。
2. 激子解离效率的计算方法激子解离效率可以通过光致发光光谱中的激子发光峰和自由载流子发光峰的位置和强度变化来计算。
在样品中，由于激发光源的作用，激子和自由载流子会产生发光，通过测量样品的光谱可以得到激子和自由载流子的发光峰值。
激子解离效率可以通过以下公式计算：激子解离效率 = (激子发光峰值 - 自由载流子发光峰值) / 激子发光峰值其中，激子发光峰值和自由载流子发光峰值分别为在样品发光光谱中激子和自由载流子的发光峰值。
通过测量样品的光致发光光谱，并进行激子解离效率的计算，可以直观的了解激子解离过程对样品发光性质的影响。
3. 激子解离效率的影响因素激子解离效率受到多种因素的影响，主要包括材料的结构和纯度、激子的束缚能和载流子的密度等。
在材料的结构和纯度方面，晶格缺陷和杂质的存在会损害激子的稳定性，导致激子解离效率的降低。
而激子的束缚能和载流子的密度则会影响激子的形成和解离过程，进而影响激子解离效率的大小。
在研究激子解离效率时，需要综合考虑以上因素的影响，以更准确的评估半导体材料的光学性能。
4. 光致发光光谱计算激子解离效率的应用光致发光光谱计算激子解离效率是一种非常有效的手段，可以为半导体材料的光学性能研究提供重要的参考。
pl光谱和荧光光谱
PL光谱（Photoluminescence Spectroscopy）和荧光光谱（Fluorescence Spectroscopy）在某些情况下可以互换使用，但严格来说它们之间有一些区别。
荧光光谱：
荧光光谱通常是指材料吸收了特定波长的光子后，电子从低能级跃迁到高能级，在返回低能级时释放出比入射光更长波长的光的过程。
这种现象是由于物质内部能量状态的变化引起的，并且需要一个外部光源来激发。
荧光光谱仪用于测量激发光谱、发射光谱、峰位、峰强度等信息，这些信息可以帮助了解分子或晶体结构以及其动力学性质。
PL光谱：
PL光谱则是指“光致发光”（Photoluminescence），它也是通过照射待测物体产生激发态粒子，然后激发态粒子自发地回到基态并释放出光子的过程。
然而，术语PL光谱常常特指半导体材料中的这一过程，特别是在研究半导体中缺陷和载流子行为的时候。
在实践中，两者之间的主要区别在于应用领域和技术细节。
荧光光谱更多地应用于生物医学、化学等领域，而PL光谱则常用于物理学和材料科学，特别是对于半导体的研究。
然而，这两者的基本物理原理是一样的：都是基于受激辐射导致的发光现象。
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。
10
IV
III
光致发光光谱
光致发光光谱光致发光光谱（Photoluminescence，简称PL）是指物质在有一定波长激发光照射下，发出更长波长的发光，从而把激发光和发光光结合起来，形成一种特殊的光谱现象。
这种光谱现象不仅可以揭示物质内部电子跃迁过程，而且还可用来探测物质表层的结构特性，为物质结构分析提供重要的技术条件。
1.致发光光学原理光致发光是一种物理现象，它的形成促使数个电子从它们的能级转变到另一个能级，在此过程中，释放出辐射，这种辐射就是光致发光光谱。
首先，激发光照射到物质表面，产生电子从低能级转移到一个更高的能级，即称为有效光激发。
而这些激发后的电子只能在这个能级停留一段很短的时间，然后又返回到原来的能级，并释放出光子，即为发光回复过程。
这些发出的光子就是光致发光光谱。
2.致发光光谱的应用光致发光光谱具有无损检测的优点，已经在材料结构分析、化学鉴定、有毒和有害气体检测、农业生态等领域发挥着重要作用。
此外，光致发光光谱也可作为非线性光学分析的基础，在非线性增强型激光膜、生物分子识别、荧光对明仪器等研究中也发挥着重要作用。
3.致发光光谱分析技术光致发光分析仪（PL）是一种用于光致发光光谱分析的仪器，它能够实现多种物质表层的结构特性的探测，也能够反映物质内部电子跃迁的过程。
其中，有时间解析光致发光（Time-Resolved PL）和实时光致发光（Real-Time PL）两种分析技术。
时间解析光致发光可以提供物质内部电子跃迁的过程的完整情况，如电子的促迁时间、电子与激发光的相互作用等；实时光致发光则能够更快速、更准确地探测物质表层的结构特性，如晶体结构变化、微结构变化、电子结构变化等。
结尾光致发光光谱是一种特殊的光谱现象，它可以揭示物质内部电子跃迁过程，也可以用来探测物质表层的结构特性。
它已经发挥着重要的作用，在材料结构分析、化学鉴定、有毒和有害气体检测、农业生态等领域。
并且，光致发光分析仪（PL）也可以作为非线性光学分析的基础，运用时间解析PL和实时PL来探测物质内部电子跃迁的过程及表层结构特性。
《光致发光PL光谱》课件
PL光谱的测量方法
激发光源：激光、氙灯等 光谱仪：单色仪、光栅仪等 探测器：光电倍增管（PMT）、CCD摄像机等
PL光谱的应用领域
材料科学研究 凝聚态物理学 光电器件制造等
PL光谱的分析方法
表观荧光量子效率 峰值位置的判断 荧光寿测量等
结论
PL光谱是一种非常重要的材料分析手段，可以提供材料的光电特性信息。 测量PL光谱需要一定的仪器和技术支持，但在凝聚态物理学、材料科学等领 域具有广泛的应用前景。
《光致发光PL光谱》PPT 课件
光致发光PL光谱是一种重要的材料分析手段，通过分析光的激发和发射来了 解材料的光电特性。本课件将介绍PL光谱的定义、测量方法、应用领域以及 分析方法。
什么是光致发光PL光谱？
光致发光（PL）是光在材料中引起电子的激发，并发射出光子的现象。 PL光谱分析材料的光电性能的重要手段，可以了解材料的能带结构、激发程度、缺陷等信息。
光致发光(PL)光谱解读
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
பைடு நூலகம்
得被研究材料的多种本质信息。
二、仪器及测试
测量半导体材料的光致发光光谱的基本 方法是，用激发光源产生能量大于被测材料
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。 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
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
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。
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三、PL谱的应用 谱的应用
由于光致发光光谱的测定直接建立在额 外载流子复合的基础上， 外载流子复合的基础上 ， 而复合过程与材料 的能带结构、 的能带结构 、 杂质和缺陷的性质与密度以及 带电状态等有很紧密的关系， 带电状态等有很紧密的关系 ， 因此光致发光 光谱在很多研究领域得到广泛应用。 光谱在很多研究领域得到广泛应用。
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I
(D ,x)
PL intensity / a.u.
(A ,x)
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DAP
ERROR: undefined OFFENDING COMMAND: 9mkm-Y_rsA9 STACK:
1. 测定半导体固溶体的组分 2. 测定半导体中浅杂质的浓度 3. 半导体中杂质补偿度的测定 4. 对缺陷的研究 5. 对少子寿命的研究 6. 对半导体理论问题的研究
图3 CZT晶体在 晶体在4.2K下典型的 谱。该PL谱包括四个区域： 下典型的PL谱 谱包括四个区域： 晶体在 下典型的 谱包括四个区域 （1）近带边区；（ ）施主－受主对（DAP）区；（3）受主 ）近带边区；（2）施主－受主对（ ） ；（ ） ；（ 中心引起的中心位于1.4eV的缺陷发光带；（4）Te空位引起的 中心引起的中心位于 的缺陷发光带；（ ） 空位引起的 的缺陷发光带；（ 中心位于1.1eV的发光峰带。 中心位于 的发光峰带。 的发光峰带
（ 4）浅能级与本征带间的载流子复合 ） 浅能级与本征带间的载流子复合——即导 即导 带电子通过浅施主能级与价带空穴的复合， 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； 带空穴通过浅受主能级与导带电子的复合； 专指被施主-受主杂质 （5）施主 受主对复合——专指被施主 受主杂质 ）施主-受主对复合 对束缚着的电子-空穴对的复合 ， 因而亦称为施 对束缚着的电子 空穴对的复合， 空穴对的复合 受主对(D-A对)复合； 复合； 主-受主对 受主对 对 复合 空穴对通过深能级的复合——即SHR （6）电子 空穴对通过深能级的复合 ）电子-空穴对通过深能级的复合 即 复合， 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。 复合，这种过程中的辐射复合几率很小。
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。
在上述辐射复合机构中， 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。 征机构 ， 后面几种则属于非本征机构 。 由此 可见， 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 构与组份的丰富信息 ， 的综合反映， 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。 得被研究材料的多种本质信息。
e-D+ e-h e-h e-A 声子参与 D-h D-A
(a)
(b)
(c)
半导体中各种复合过程示意图（ ）带间跃迁（ ） 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（ ）施主－ 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， 在这个过程中 ， 有六种不同的复合机构会发射光 它们是： 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； 的复合； （2）自由激子复合 —— 晶体中原子的中性激发态被 ） 称为激子，激子复合也就是原子从中性激发态向基态 称为激子 ， 的跃迁， 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； 激子，这种运动显然不传输电荷； 指被施主、 （3）束缚激子复合 —— 指被施主、受主或其他陷阱 ） 中心(带电的或不带电的 束缚住的激子的辐射复合 中心 带电的或不带电的)束缚住的激子的辐射复合 ， 带电的或不带电的 束缚住的激子的辐射复合， 其发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加； 其发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加；
从微观上讲，光致发光可以分为两个步骤： 从微观上讲，光致发光可以分为两个步骤： 第一步是以光对材料进行激励， 第一步是以光对材料进行激励 ， 将其中电子 的能量提高到一个非平衡态， 也就是所谓的“ 的能量提高到一个非平衡态 ， 也就是所谓的 “ 激 发态” 发态”； 第二步， 第二步 ， 处于激发态的电子自发地向低能态 跃迁，同时发射光子，实现发光。 跃迁，同时发射光子，实现发光。
激光器
激光器电源
狭缝
光电倍增管
锁相放大器 单色仪
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
TRIAX55 0 PL谱仪 谱仪
放大器
控温仪
测试
1. 放置样品 晶片，粉体，薄膜) 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
二、仪器及测试
测量半导体材料的光致发光光谱的基本 方法是， 方法是 ， 用激发光源产生能量大于被测材料 的禁带宽度E 的禁带宽度 g 、 且电流密度足够高的光子流 去入射被测样品， 去入射被测样品 ， 同时用光探测器接受并识 别被测样品发射出来的光。 别被测样品发射出来的光。
反射镜
滤光片
真空泵
透镜
2. 基本原理：由于半导体材料对能量高于其吸收 基本原理： 限的光子有很强的吸收，吸收系数通常超过 因此在材料表面约1µm厚的表层内 ， 厚的表层内， 104cm-1 ， 因此在材料表面约 厚的表层内 由本征吸收产生了大量的额外电子-空穴对 ， 由本征吸收产生了大量的额外电子 空穴对， 使 空穴对 样品处于非平衡态。 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。 内扩散，一边通过各种可能的复合机构复合。其 有的复合过程只发射声子， 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。 发射光子或既发射光子也发射声子。
光致发光(PL)谱原理、 谱原理、 光致发光 谱原理 测试及应用
一、光致发光基本原理 二、仪器及测试 三、应用
一、光致发光基本原理
1. 定义：所谓光致发光(Photoluminescence)指 定义：所谓光致发光 指 的是以光作为激励手段， 激发材料中的电子 的是以光作为激励手段 ， 从而实现发光的过程。 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。 对的复合过程中伴随发生的现象。
由 于 PL 谱 与 晶 体 的 电 子 结 构 （ 能 带 结 缺陷状态、和杂质等密切相关，因此， 构 ） 、 缺陷状态 、 和杂质等密切相关 ， 因此 ， 光致发光被广泛用来研究半导体晶体的物理 特性。 特性。 光致发光光谱的测试以其简单、可靠， 光致发光光谱的测试以其简单、可靠， 测试过程中对样品无损伤等优点而得到广 泛的应用。 泛的应用。