紫外可見分光光度計測量ZnO的光學禁帶寬度

【實驗目的】
1）了解紫外課件分光光度計的結構和測試原理； 2）理解半導體材料對入射光子的吸收特性；  3）掌握測量半導體材料的光學禁帶寬度的方法。 【實驗內容】
1）測試半導體光電探測材料的透射光譜； 2）分析半導體材料的光學禁帶寬度。 【實驗器材】
紫外-可見光分光光度計一臺（島津uv2600）；ZnO薄膜；空白基片。  【實驗原理】
1. 紫外可見分光光度計
當物體受到入射光波照射時，光子會和物體發生相互作用。由于組成物體的分子和分子間的結構不同，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傳播，即透射。  
為了表示入射光透過材料的程度，通常用入射光通量與透射光通量之比來表征物體的透光性質，稱為光透射率。常用的紫外可見分光光度計能精確測量材料的透射率，測試方法具有簡單、操作方便、精度高等突出優點，是研究半導體能帶結構及其它性質的最基本、最普遍的光學方法之一。 紫外可見分光光度計通常由五部分組成：
1）光源：通常采用鎢燈或碘鎢燈產生340nm到2500nm的光，氘燈產生160-375nm的紫外光。
2）單色器：單色器將光源輻射的復色光分解成用于測試的單色光。通常包括入射狹縫、準光器、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。光柵具有分辨本領高等優點被廣泛使用。
3）吸收池：用于盛放分析試樣，有紫外、玻璃和塑料幾類。測試材料散射時可以使用積分球附件；測試固體樣品的透射率等可以使用固體樣品支架附件。 4）檢測器：檢測器的功能是檢測信號、測量透射光的器件。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）數據系統：多采用軟件對信號放大和采集，并對保存和處理數據等。 2. 禁帶寬度

對于包括半導體在內的晶體，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的能量狀態，原子中的電子是處于分離的能級狀態，而晶體中的電子是處于所謂能帶狀態。能帶是由許多能級組成的，能帶與能帶之間隔離著禁帶，電子就分布在能帶中的能級上，禁帶是不存在公有化運動狀態的能量范圍。半導體最重要的能帶就是價帶和導帶。導帶底與價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晶體所有的公有化電子的能級，但是可以出現雜質、缺陷等非公有化狀態的能級—束縛能級。例如施主能級、受主能級、復合中心能級、陷阱中心能級、激子能級等。
禁帶寬度是半導體的一個重要特征參量，用于表征半導體材料物理特性。其涵義有如下四個方面： 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，禁帶寬度表示價鍵束縛的強弱。當價帶中的電子吸收一定的能量后躍遷到導帶，產生出自由電子和空穴，才能夠導電。因此，禁帶寬度的大小實際上是反映了價帶中電子被束縛強弱程度的物理量。價電子由價帶躍遷到導帶的過程稱為本征激發。本征激發根據價電子獲取能量的方式可以分為熱激發、光學激發和電離激發等。第三，禁帶寬度表示電子與空穴的勢能差。導帶底是導帶中電子的最低能量，故可以看作為電子的勢能。價帶頂是價帶中空穴的最低能量，故可以看作為空穴的勢能。離開導帶底和離開價帶頂的能量就分別為電子和空穴的動能。第四，雖然禁帶寬度是一個標志導電性能好壞的重要參量，但是也不是絕對的。價電子由價帶躍遷到導帶的幾率是溫度的指數函數，所以當溫度很高時，即使是絕緣體（禁帶寬度很大），也可以發生本征激發。 3. 基于透射光譜的光學禁帶寬度計算原理
當一定波長的光照射半導體材料時，電子吸收能量后會從低能級躍遷到能量較高的能級。對于本征吸收，電子吸收足夠能量后將從價帶直接躍遷入導帶。發生本征吸收的 條件是：光子的能量必須等于或大于材料的禁帶寬度Eg，即 
0ghhvE??? 
(1)  
而當光子的頻率低于0?，或波長大于本征吸收的長波限時，不可能發生本征吸收，半導體的光吸收系數迅速下降，這在透射光譜上表現為透射率的迅速增大，即透射光譜上出現吸收邊。 
光波透過厚度為d的樣品時，吸收系數同透射率的關系如式（2）：

??? 
(2)
 其中d為樣品厚度，R是對應波長的反射率，T是對應波長的透射率。 
 
實驗中，我們所選樣品為ZnO基薄膜材料，入射光垂直照射在樣品表面，且
樣品表面具有納米級的平整度，在紫外和可見光波段的反射率很小，所以在估算禁帶寬度時，忽略反射率的影響，則吸收系數α可簡單表示為：
ln(1/)dT??                          (3)
因此，在已知薄膜厚度的情況下，可以通過不同波長的透射率求得樣品的吸收系數。
又，半導體的禁帶寬度與半導體材料的禁帶寬度滿足下列方程： 
2
()mghAhE????? 
(4)
 2*3/2
2*
(2)eAnchme?? 
(5)
式中，α為吸收系數，hv是光子能量；Eg為材料的禁帶寬度；A是材料折射率（n）、折合質量（μ*）和真空中光速（c）的函數，基本是一常數；m是常數，對于直接帶隙半導體允許的偶極躍遷，m＝1；對于直接帶隙半導體禁戒的偶極躍遷，m＝3；對于間接帶隙半導體允許的偶極躍遷，m＝4；對于間接帶隙半導體禁戒的偶極躍遷，m＝6。
ZnO薄膜是一種直接帶隙半導體，在本征吸收過程中電子發生直接躍遷，因此m取1，則式（5）可以表示為：  
22()()ghAhE????? 
(6)
對于禁帶寬度的計算，可根據αhv ∝ hv的函數關系作圖，將吸收邊陡峭的線性部分外推到(αhv)2=0處，與x軸的交點即為相應的禁帶寬度值。  【實驗步驟】 
1）樣品準備：將空白基片放在參考位；將ZnO基薄膜樣品置于樣品位。  2）打開儀器電源，預熱20分鐘； 
3）打開軟件，點選“連接”按鈕，系統將自檢；
4）選擇儀器的工作模式為光譜掃描，輸入測試波長和狹縫寬度，樣品測試選擇透射率；   
5）點擊“自動清零”；

6）將清洗干凈的空白基片放在參考位，進行基線掃描； 7）將ZnO基薄膜樣品置于樣品位，點擊“開始”按鈕； 8）掃描結束后保存測試樣品的透射率數據； 9）實驗測量結束，點擊“斷開”按鈕；關閉軟件；
10）關閉電源開關，取出測量樣品，放入干燥劑，蓋上防塵布。  【思考題】 
1）從吸收系數隨波長的變化如何判斷半導體材料的能帶結構？       2）通過什么技術途徑可以實現材料的日盲紫外探測？