紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)量ZnO的光學(xué)禁帶寬度

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/span>

1）了解紫外課件分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)和測(cè)試原理；

2）理解半導(dǎo)體材料對(duì)入射光子的吸收特性； 

3）掌握測(cè)量半導(dǎo)體材料的光學(xué)禁帶寬度的方法。

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】

1）測(cè)試半導(dǎo)體光電探測(cè)材料的透射光譜；

2）分析半導(dǎo)體材料的光學(xué)禁帶寬度。

【實(shí)驗(yàn)器材】

紫外-可見(jiàn)光分光光度計(jì)一臺(tái)；ZnO薄膜；空白基片。 

【實(shí)驗(yàn)原理】

1.      紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)

當(dāng)物體受到入射光波照射時(shí)，光子會(huì)和物體發(fā)生相互作用。由于組成物體的分子和分子間的結(jié)構(gòu)不同，使入射光一部分被物體吸收，一部分被物體反射，還有一部分穿透物體而繼續(xù)傳播，即透射。  

為了表示入射光透過(guò)材料的程度，通常用入射光通量與透射光通量之比來(lái)表征物體的透光性質(zhì)，稱為光透射率。常用的紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)能精確測(cè)量材料的透射率，測(cè)試方法具有簡(jiǎn)單、操作方便、精度高等突出優(yōu)點(diǎn)，是研究半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)及其它性質(zhì)的最基本、最普遍的光學(xué)方法之一。

紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)通常由五部分組成：

1）光源：通常采用鎢燈或碘鎢燈產(chǎn)生340nm到2500nm的光，氘燈產(chǎn)生160-375nm的紫外光。

2）單色器：?jiǎn)紊鲗⒐庠摧椛涞膹?fù)色光分解成用于測(cè)試的單色光。通常包括入射狹縫、準(zhǔn)光器、色散元件、聚焦元件和出射狹縫等組成。色散元件可以是棱鏡，也可以是光柵。光柵具有分辨本領(lǐng)高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用。

3）吸收池：用于盛放分析試樣，有紫外、玻璃和塑料幾類。測(cè)試材料散射時(shí)可以使用積分球附件；測(cè)試固體樣品的透射率等可以使用固體樣品支架附件。

4）檢測(cè)器：檢測(cè)器的功能是檢測(cè)信號(hào)、測(cè)量透射光的器件。常用的有硅光電池和光電倍增管等。光電倍增管的靈敏度比一般的硅光電池高約200倍。

5）數(shù)據(jù)系統(tǒng)：多采用軟件對(duì)信號(hào)放大和采集，并對(duì)保存和處理數(shù)據(jù)等。

2. 禁帶寬度

對(duì)于包括半導(dǎo)體在內(nèi)的晶體，其中的電子既不同于真空中的自由電子，也不同于孤立原子中的電子。真空中的自由電子具有連續(xù)的能量狀態(tài)，原子中的電子是處于分離的能級(jí)狀態(tài)，而晶體中的電子是處于所謂能帶狀態(tài)。能帶是由許多能級(jí)組成的，能帶與能帶之間隔離著禁帶，電子就分布在能帶中的能級(jí)上，禁帶是不存在公有化運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的能量范圍。半導(dǎo)體最重要的能帶就是價(jià)帶和導(dǎo)帶。導(dǎo)帶底與價(jià)帶頂之間的能量差即稱為禁帶寬度（或者稱為帶隙、能隙）。 禁帶中雖然不存在屬于整個(gè)晶體所有的公有化電子的能級(jí)，但是可以出現(xiàn)雜質(zhì)、缺陷等非公有化狀態(tài)的能級(jí)—束縛能級(jí)。例如施主能級(jí)、受主能級(jí)、復(fù)合中心能級(jí)、陷阱中心能級(jí)、激子能級(jí)等。

禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個(gè)重要特征參量，用于表征半導(dǎo)體材料物理特性。其涵義有如下四個(gè)方面： 第一，禁帶寬度表示晶體中的公有化電子所不能具有的能量范圍。第二，禁帶寬度表示價(jià)鍵束縛的強(qiáng)弱。當(dāng)價(jià)帶中的電子吸收一定的能量后躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生出自由電子和空穴，才能夠?qū)щ?。因此，禁帶寬度的大小?shí)際上是反映了價(jià)帶中電子被束縛強(qiáng)弱程度的物理量。價(jià)電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的過(guò)程稱為本征激發(fā)。本征激發(fā)根據(jù)價(jià)電子獲取能量的方式可以分為熱激發(fā)、光學(xué)激發(fā)和電離激發(fā)等。第三，禁帶寬度表示電子與空穴的勢(shì)能差。導(dǎo)帶底是導(dǎo)帶中電子的最低能量，故可以看作為電子的勢(shì)能。價(jià)帶頂是價(jià)帶中空穴的最低能量，故可以看作為空穴的勢(shì)能。離開(kāi)導(dǎo)帶底和離開(kāi)價(jià)帶頂?shù)哪芰烤头謩e為電子和空穴的動(dòng)能。第四，雖然禁帶寬度是一個(gè)標(biāo)志導(dǎo)電性能好壞的重要參量，但是也不是絕對(duì)的。價(jià)電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的幾率是溫度的指數(shù)函數(shù)，所以當(dāng)溫度很高時(shí)，即使是絕緣體（禁帶寬度很大），也可以發(fā)生本征激發(fā)。

3. 基于透射光譜的光學(xué)禁帶寬度計(jì)算原理

光波透過(guò)厚度為d的樣品時(shí)，吸收系數(shù)同透射率的關(guān)系如式（2）：

【實(shí)驗(yàn)步驟】 

1）樣品準(zhǔn)備：將空白基片放在參考位；將ZnO基薄膜樣品置于樣品位。 

2）打開(kāi)儀器電源，預(yù)熱20分鐘； 

3）打開(kāi)軟件，點(diǎn)選“連接”按鈕，系統(tǒng)將自檢；

4）選擇儀器的工作模式為光譜掃描，輸入測(cè)試波長(zhǎng)和狹縫寬度，樣品測(cè)試選擇透射率；   

5）點(diǎn)擊“自動(dòng)清零”；

6）將清洗干凈的空白基片放在參考位，進(jìn)行基線掃描；

7）將ZnO基薄膜樣品置于樣品位，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕；

8）掃描結(jié)束后保存測(cè)試樣品的透射率數(shù)據(jù)；

9）實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)束，點(diǎn)擊“斷開(kāi)”按鈕；關(guān)閉軟件；

10）關(guān)閉電源開(kāi)關(guān)，取出測(cè)量樣品，放入干燥劑，蓋上防塵布。