探索光致发光谱的性质与应用

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：图2.5.1半导体中各种复合跃迁过程示意图[1]2.光致发光谱测量装置光致发光谱的测量装置主要可以分为光源、光路和分光系统、样品室、探测和数据记录系统四个部分,如图2.5.2所示。样品的光致发光经过透镜被收集和聚焦到单色仪的入射狭缝上,通过单色仪进行分光。

光致发光(Photoluminescence,PL)是指物质在外界光源照射下,受到激发获得能量,进而辐射出光子,从而产生发光的现象。

1.光致发光的基本原理

半导体中光致发光大致会经历光吸收、空间扩散和能量传递、光发射三个物理过程。

(1)光吸收过程是指半导体在外界光激发作用下产生电子空穴对,形成非平衡载流子的过程。当激发光光子能量大于材料禁带宽度时,发生本征吸收,才能有效地产生电子空穴对。

(2)空间扩散和能量传递过程是指非平衡载流子在空间上的扩散和能量的弛豫过程。一般情况下,大部分载流子在复合之前会弛豫到能带底部(电子会弛豫到导带底,空穴会弛豫到价带顶)。

(3)光发射过程是指由于非平衡电子、空穴的辐射跃迁而发光的过程。图2.5.1显示了半导体中常见的辐射跃迁过程。其中,图2.5.1(a)所示的是导电电子和价带空穴复合对应的带间跃迁过程,包括直接跃迁和声子参与的间接跃迁;图2.5.1(b)所示的是经过禁带中局域化杂质能级的辐射复合跃迁过程,包括导带自由电子向中性受主能级的跃迁、电子从中性施主能级向价带顶的跃迁、电子从导带底向电离施主能级的跃迁、电子从电离受主能级向价带顶的跃迁;图2.5.1(c)所示的是施主-受主对复合跃迁过程。

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图2.5.1　半导体中各种复合跃迁过程示意图[1]

2.光致发光谱测量装置(https://www.chuimin.cn)

光致发光谱的测量装置主要可以分为光源、光路和分光系统、样品室、探测和数据记录系统四个部分,如图2.5.2所示。

(1)光源:光致发光谱的测量需要单色性较好的光源,一般为激光光源。常用的连续工作气体激光器有氦氖激光器、氩离子激光器和氮分子激光器;固体激光器有红宝石激光器和半导体激光器。

(2)光路和分光系统:光致发光的光路通常由滤波器、光阑和聚焦透镜组成。其作用是使激发光垂直入射到样品表面上。样品的光致发光经过透镜被收集和聚焦到单色仪的入射狭缝上,通过单色仪进行分光。

(3)样品室:由于温度对半导体发光特性的影响很大,而且低温条件下一般能获得谱线更窄、信号强度更大的光谱,所以在测量时,通常将样品置入一个低温恒温箱内。

(4)探测和数据记录系统:样品发出的光经单色仪分光后被光电探测器探测并转换为电信号,通过放大器放大后再输入到数据记录系统中。光电探测器除了用单个光电倍增器以外,还可以用电荷耦合器件阵列或光电二极管阵列来实现更快速、更灵敏的探测。使用探测器阵列时,单色仪的光栅固定在一个位置,而单色仪的狭缝具有一定宽度,可是单色仪出射光的各个光谱元正好分别落在组成阵列的各个探测元件上,并转换成电信号而得到光谱分布。在X-Y记录仪上,Y轴记录的是经由光电探测器检测、放大器放大后的光电信号,X轴上记录的是单色仪进行波长扫描时的波长读数,将记录的实测曲线对系统的光谱响应校正以后,即能得到样品的光致发光光谱。

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图2.5.2　光致发光谱的装置示意图

3.光致发光谱的应用

由于光致发光可能基于不同的辐射复合机制,不同机制有各自不同的发光特点,表现为不同的光谱特征,实验上可根据谱图的特征来判断分析材料的复合机制;在某些杂质中心参与的复合机制引起的发射光谱中,通过人为改变某一杂质的浓度或掺入该杂质的同位素,观察光致发光谱的变化规律,可以判断PL谱中的某些峰与该杂质中心是否相关,辅助未知杂质的鉴定;杂质缺陷中心参与的各种发光过程对应的光谱线的能量位置与该杂质中心的能级有确定的关系,用实测PL谱线的能量位置推断杂质中心的能级位置,是一种测定杂质能级位置的常用方法。

探索光致发光谱的性质与应用

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