半导体材料能带测试及计算

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1、..半导体材料能带测试及计算对于半导体，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，其具有一定的带隙(Eg)。通常对半导体材料而言，采用适宜的光激发能够激发价带(VB)的电子激发到导带(CB)，产生电子与空穴对。图1.半导体的带隙构造示意图。在研究中，构造决定性能，对半导体的能带构造测试十分关键。通过对半导体的构造进展表征，可以通过其电子能带构造对其光电性能进展解析。对于半导体的能带构造进展测试及分析，通常应用的方法有以下几种(如图2)：1.紫外可见漫反射测试及计算带隙Eg；2.VBXPS测得价带位置(Ev)；3.SRPES测得Ef、Ev以及缺陷态位置；4.通过测

2、试Mott-Schottky曲线得到平带电势；5.通过电负性计算得到能带位置.jz*..图2.半导体的带隙构造常见测试方式。1.紫外可见漫反射测试及计算带隙紫外可见漫反射测试2.制样：背景测试制样：往图3左图所示的样品槽中参加适量的BaSO4粉末〔由于BaSO4粉末几乎对光没有吸收，可做背景测试〕，然后用盖玻片将BaSO4粉末压实，使得BaSO4粉末填充整个样品槽，并压成一个平面，不能有凸出和凹陷，否者会影响测试结果。样品测试制样：假设样品较多足以填充样品槽，可以直接将样品填充样品槽并用盖玻片压平；假设样品测试不够填充样品槽，可与BaSO4粉末混合，制成一系列等质量

3、分数的样品，填充样品槽并用盖玻片压平。图3.紫外可见漫反射测试中的制样过程图。1.测试：用积分球进展测试紫外可见漫反射〔UV-VisDRS〕，采用背景测试样〔BaSO4粉末〕测试背景基线〔选择R%模式〕，以其为background测试基线，然后将样品放入到样品卡槽中进展测试，得到紫外可见漫反射光谱。测试完一个样品后，重新制样，继续进展测试。jz*..·测试数据处理数据的处理主要有两种方法：截线法和Taucplot法。截线法的根本原理是认为半导体的带边波长〔λg〕决定于禁带宽度Eg。两者之间存在Eg(eV)=hc/λg=1240/λg(nm)的数量关系，可以通过求取λ

4、g来得到Eg。由于目前很少用到这种方法，故不做详细介绍，以下主要来介绍Taucplot法。具体操作：1、一般通过UV-VisDRS测试可以得到样品在不同波长下的吸收，如图4所示;图4.紫外可见漫反射图。2.根据(αhv)1/n =A(hv–Eg)，其中α为吸光指数，h为普朗克常数，v为频率，Eg为半导体禁带宽度，A为常数。其中，n与半导体类型相关，直接带隙半导体的n取1/2，间接带隙半导体的n为2。3.利用UV-VisDRS数据分别求(αhv)1/n和hv=hc/λ,c为光速，λ为光的波长，所作图如图5所示。所得谱图的纵坐标一般为吸收值Abs，α为吸光系数，两者成正

5、比。通过Taucplot来求Eg时，不管采用Abs还是α，对Eg值无影响，可以直接用A替代α，但在论文中应说明。4.在origin中以(αhv)1/n对hv作图，所作图如图5所示ZnIn2S4为直接带隙半导体，n取1/2)，将所得到图形中的直线局部外推至横坐标轴，交点即为禁带宽度值。jz*..图5.Taucplot图。图6与图7所示是文献中通过测试UV-VisDRS计算相应半导体的带隙Eg的图。图6.W18O19以及Mo掺杂W18O19 (MWO-1)的紫外可见漫反射图和Taucplot图。图7.ZnIn2S4(ZIS)以及O掺杂ZIS的紫外可见漫反射图和Taucp

6、lot图。2.VBXPS测得价带位置(Ev)根据价带X射线光电子能谱〔VBXPS〕的测试数据作图，将所得到图形在0eV附近的直线局部外推至与水平的延长线相交，交点即为Ev。如图8，根据ZnIn2S4以及O掺杂ZnIn2S4的VBXPS图谱，在0eV附近〔2eV和1eV〕发现有直线局部进展延长，并将小于0eV的水平局部延长得到的交点即分别为ZnIn2S4以及O掺杂ZnIn2S4的价带位置对应的能量〔1.69eV和0.73eV〕。如图9为TiO2/C的VBXPS图谱，同理可得到其价带位置能量〔3.09eV〕。jz*..图8.ZnIn2S4(ZIS)以及O掺杂ZIS的VB

7、XPS图。图9.TiO2/CHNTs的VBXPS图。3.SRPES 测得Ef、Ev以及缺陷态位置图2.3所示是文献中通过测同步辐射光电子发射光谱(SRPES)计算相应半导体的Ef、Ev以及缺陷态位置。图2.3a是通过SRPES测得的价带构造谱图，通过做直线局部外推至与水平的延长线相交，得到价带顶与费米能级的能量差值〔EVBM-Ef〕；该谱图在靠近0eV处(费米能级Ef)为缺陷态的构造，如图2.3b所示，取将积分面积一分为二的能量位置定义为缺陷态的位置。图2.3c是测得的二次电子的截止能量谱图，加速能量为39eV，根据计算加速能量与截止能量的差值，即可得到该材料的