光致发光(PL)光谱03993-完整版
光致发光(PL)光谱课件PPT
14
2021/3/10
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（DV的缺陷发光带；（4）Te空位引起的
15
中心位于1.1eV的发光峰带。
2021/3/10
图4 高质量CZT晶体PL谱的近带边区
10
2021/3/10
2、光致发光的缺点
它的原始数据与主要感兴趣的物理现象之 间离得比较远，以至于经常需要进行大量 的分析，才能通过从样品外部观测到的发 光来推出内部的符合速率。
光致发光测量的结果经常用于相对的比较， 因此只能用于定性的研究方面。
测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛 刻的要求。
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
3
2021/3/10
e-D+
e-h e-h
e-A
声子参与
D-h
D-A
(a)
(b)
(c)
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（c）施主－受主对辐射复合跃迁
4
2021/3/10
在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光 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； （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 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； （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， 其5发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加；2021/3/10
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
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。
光致发光谱
光致发光光谱技术的认识、应用及改进孙奇 2014物理学2015、4、211、光致发光光谱技术的背景介绍在我们周围,光致发光就是一种很普遍的现象。
常用的日光灯就属于光致发光的一种,它就是利用汞蒸气放电产生的紫外光激发涂覆在灯管壁上的发光物质而发出可见光的。
简单地说,光致发光(PL)就是发光材料吸收光子(或电磁波)后,重新辐射发出光(或电磁波)的过程。
这种过程与材料的结构、成分及原子排列等密切相关。
•紫外光、可见光甚至红外辐射都可以作为激发光,引起光致发光。
•所发出的光,根据弛豫时间的不同,可分为荧光、磷光与上转换发光。
从分子电子结构上解释,荧光就是电子从单线态第一激发态返回到基态时释放的光,具有很短的发光寿命(约1~100 ns),而磷光就是电子从三线态第一激发态返回基态时释放的光,具有较长的发光寿命(约0、1~1000ms)。
当系间窜越的速率小于荧光跃迁速率时,激发态全部以荧光形式辐射回到基态,因而只有在低温条件下,才可以检测到磷光发光。
本文中如未特别指出,所介绍的光致发光都属于荧光发光。
图1、光致发光过程中的光子吸收与能量转移过程。
在实验测试中,荧光发光光谱包括激发谱与发射谱两种。
激发谱就是使用不同波长激发光测试发光材料在某一波长处荧光强度的变化情况,即不同波长激发光的相对效率;发射谱则就是在某一固定波长激发光作用下的荧光强度在不同波长处的分布情况,即荧光中不同波长的光成分的相对强度。
一般情况下,光致发光光子的能量小于激发光子的能量(斯托克斯位移),在特定条件下发射光子的能量也可以超过激发光子的能量(反斯托克斯位移)。
由于光致发光(荧光或磷光)的特点就是宽激发窄发射,所以测试时,需要选取一个能反映出所测材料发光效率的激发光波长。
激发光波长的选择一般没有定论,简单而常用的方法有两种:1)激发谱:将荧光发光峰波长固定为发射波长(EM),然后做激发波长(EM)扫描,激发波长范围要小于发射波长。
一般选取激发谱最高峰位置对应的波长作为激发光波长。
光致发光PL光谱教育课件
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
中心位于1.1eV的发光峰带。
图4 高质量CZT晶体PL谱的近带边区
该PL谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（D0, X）。 而CdTe和Cd0.96Zn0.04Te在该区域内的主发光峰则通常为 受主－束缚激子峰（A0,X）。在Cd0.9Zn0.1Te晶体的近带 边 区 的 PL 谱 除 此 之 外 ， 还 可 以 看 到 基 态 自 由 激 子 峰 （X1）、上偏振带峰（Xup）以及第一激发态自由激子峰 （X2）。对于质量较差的CZT晶体，无法看到其自由激 子峰（X1）和一次激发态自由激子峰（X2）。低温PL谱 可以用来比较全面的评价CZT晶体的质量，并由此来推 断晶体的探测性能。
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
光致发光(PL)光谱
3
精选2021版课件
e-D+
e-h e-h
e-
(a)
(b)
(c)
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（c）施主－受主对辐射复合跃迁
4
精选2021版课件
在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光 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； （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 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； （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， 其5发光精选强2021版度课件 随着杂质或缺陷中心的增加而增加；
（4）浅能级与本征带间的载流子复合——即导 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； （5）施主-受主对复合——专指被施主-受主杂质 对束缚着的电子-空穴对的复合，因而亦称为施 主-受主对(D-A对)复合； （6）电子-空穴对通过深能级的复合——即SHR 复合，指导带底电子和价带顶空穴通过深能级的 6复合精选，2021版这课件 种过程中的辐射复合几率很小。
17
精选2021版课件
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。
7
精选2021版课件
二、仪器及测试
光致发光PL光谱
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
中心位于1.1eV的发光峰带。
图4 高质量CZT晶体PL谱的近带边区
2、光致发光的缺点
它的原始数据与主要感兴趣的物理现象之 间离得比较远，以至于经常需要进行大量 的分析，才能通过从样品外部观测到的发 光来推出内部的符合速率。
光致发光测量的结果经常用于相对的比较， 因此只能用于定性的研究方面。
测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛 刻的要求。
对于深陷阱一类不发光的中心，发光方法 显然是无能为力的。 Nhomakorabea 真空泵
透镜
反射镜
滤光片
激光器
激光器电源
样品室
样品
透镜
狭缝
光电倍增管
单色仪
锁相放大器 计算机
制冷仪
图2 光致发光光谱测量装置示意图
三、光致发光特点
1、光致发光的优点
光致发光分析方法的实验设备比较简单、 测量本身是非破坏性的，而且对样品的尺 寸、形状以及样品两个表面间的平行度都 没有特殊要求。
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。
e-D+
e-h e-h
e-A
声子参与
D-h
D-A
(a)
(b)
(c)
光致发光PL光谱PPT课件
）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
13 .
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
14 .
3
.
e-D+
e-h e-h
e-A
声子参与
D-h
D-A
(a)
(b)
(c)
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（c）施主－受主对辐射复合跃迁
4
.
在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光 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； （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 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； （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，其 发5光强. 度随着杂质或缺陷中心的增加而增加；
17 .
8
.
真空泵
透镜
反射镜
滤光片
激光器
激光器电源
样品室
样品
透镜
狭缝
光电倍增管
Hale Waihona Puke 单色仪锁相放大器 计算机制冷仪
9
.
图2 光致发光光谱测量装置示意图
三、光致发光特点
1、光致发光的优点
光致发光分析方法的实验设备比较简单、 测量本身是非破坏性的，而且对样品的尺 寸、形状以及样品两个表面间的平行度都 没有特殊要求。
光致发光(PL)光谱ppt课件
对于深陷阱一类不发光的中心，发光方法 显然是无能为力的。
四、光致发光分析方法的应用
1、组分测定 例如，GaAs1-xPx是由直接带隙的GaAs和间接带
隙的GaP组成的混晶，它的带隙随x值而变化。发光 的峰值波长取决于禁带宽度，禁带宽度和x值有关。 因此，从发光峰峰值波长可以测定组分百分比x值。
e-D+
e-h e-h
e-A
声子参与
D-h
D-A
(a)
(b)
(c)
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（c）施主－受主对辐射复合跃迁
在这个过程中，有六种不同的复合机构会发射光 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； （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 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； （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，其 发光强度随着杂质或缺陷中心的增加而增加；
2、杂质识别 根据特征发光谱线的位置，可以识别GaAs和GaP
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。
计算机 光（致5）发施光主测样-量受品的主室结对果复经合常—用—样于专品相指对被的施比主较-受，主因透杂此镜质只对能束用缚于着定的性电的子研-空究穴方对面的。复合，因而亦称为施主-受主对(D-A对)复合；
晶硅太阳能电池光致发光pl
晶硅太阳能电池光致发光pl 晶硅太阳能电池光致发光（PL）可不是个听上去高大上的东西，大家别被它名字吓到。
光致发光这个过程，说白了，就是材料在吸收了光之后，自己发出一些光的现象。
就像你在黑暗中照了手电，突然它反射出一些亮光一样。
听起来有点抽象？没事，我来给你们详细说说。
这在晶硅太阳能电池中可有着大大的用途，简直可以说是“绝活”了！晶硅太阳能电池，咱们也都知道是最常见的一种光伏电池，它能把太阳的光转化为电能，方便咱们用来发电。
但有一点你可能不知道，太阳能电池的效率和它内部的材料有着密切的关系，光致发光就是研究这些材料是否适合的一个重要“窗口”。
你们有没有发现，太阳能电池长得都差不多，都是一块黑黑的东西，表面有许多小小的网格。
正是这些材料在运作时的表现决定了它能否高效发电。
而光致发光就像是它们的“体检报告”。
你看，当太阳能电池吸收了光，光子就会让电子从低能级跃迁到高能级。
这时候呢，电子就像个好奇宝宝，想从高处跳下来释放能量，然后它就发出了光。
说到这里，有没有感觉这就像是你带着一群朋友去攀岩，大家兴奋得不得了，都想着赶快跳下去，释放那份能量。
简单来说，PL其实就是看这些跃迁过程中，晶硅内部发生了啥，能不能保持稳定，又能不能有效地释放光子。
就像你去健身房做了几组俯卧撑，看看你肌肉是否紧实，身体是否有“发光”的潜力一样。
如果晶硅材料的PL信号特别强，那说明它的质量好，光电转换效率也高。
相反，如果信号弱，那就意味着材料里可能有一些“瑕疵”存在。
这些“瑕疵”就像是那些在攀岩时偷懒的家伙，没力气跳下来，或者是那些不小心摔了一跤的朋友，导致能量没法完全释放。
所以，通过PL分析，科学家们能判断出这些太阳能电池的“健康状况”。
通过改变材料的制造方式，或者调整一些参数，研究人员还可以让这些电池变得更强，效率更高。
说白了，PL就像是给电池做个定期体检，看看它的状态如何，能不能发力。
咱们听到光致发光，可能觉得好像很高科技，离咱们有点远。
光致发光PL光谱PPT课件
10 .
2、光致发光的缺点
它的原始数据与主要感兴趣的物理现象之 间离得比较远，以至于经常需要进行大量 的分析，才能通过从样品外部观测到的发 光来推出内部的符合速率。
光致发光测量的结果经常用于相对的比较， 因此只能用于定性的研究方面。
8
.
真空泵
透镜
反射镜
滤光片
激光器
激光器电源
样品室
样品
锁相放大器 计算机
制冷仪
9
.
图2 光致发光光谱测量装置示意图
三、光致发光特点
1、光致发光的优点
光致发光分析方法的实验设备比较简单、 测量本身是非破坏性的，而且对样品的尺 寸、形状以及样品两个表面间的平行度都 没有特殊要求。
1
.
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
.
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
（4）浅能级与本征带间的载流子复合——即导 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； （5）施主-受主对复合——专指被施主-受主杂质 对束缚着的电子-空穴对的复合，因而亦称为施 主-受主对(D-A对)复合； （6）电子-空穴对通过深能级的复合——即SHR 复合，指导带底电子和价带顶空穴通过深能级的 6复合. ，这种过程中的辐射复合几率很小。
光致发光的光谱
1 2 3 4 5 6 7 8 557.5 +
Ce0.02 Ce0.06 Ce0.1 Ce0.2 Ce0.3 Ce0.4 Ce0.5 Ce0.6
640 /nm
650
660
500
550
600
650
700
/nm
燃烧法CaS:Eu,Sm 样品的荧光发射光谱
燃烧法CaS:Ce,Sm样品的荧 光发射光谱
2 发光中心
7
三 斯托克斯发光和反斯托克斯发光
如果我们把一种材料的发射光谱和激发光谱加以比较， 就会发现，在绝大多数的情况下，发光谱带总是位于相 应的激发谱带的长波边。 斯托克斯定律：指发射的光子能量小于吸收的光子能 量，材料的发光谱带位于其相应激发谱带的长波边，即 材料吸收高能量的短波辐射，而发射出低能量的长波辐 射。
660
300
400 /nm
500
600
CaS:Eu,Sm的激发光谱和荧光发射光谱波长比较
七、斯托克斯定律和反斯托克斯发光
E13 E12 E11
E03 E02 E01
上发光中心的能级结构示意图
10
七、斯托克斯定律和反斯托克斯发光
发光光子的能量就有可能大于激发光子的能量。这种 发光称为反斯托克斯发光，它在实际上是存在的。但是它
4
二 光致发光光谱的产生机理 1 光致发光过程中的能量传输及转化
发光材料吸收了激发光 ，就会在内部发生能量状态的 转变：有些离子被激发到较高的能量状态，或者晶体内产生 了电子和空穴等。而电子和空穴一旦产生，它们的运动也伴
随着能量的传输和激发态的转移。这样，激发状态也就不会
局限在一个地方，而将发生转移。即使只是离子被激发，不 产生自由电子，处于激发态的离子也可以和附近的离子相互 作用而将激发能量传出去。这就是说，原来被激发的离子回 到基态，而附近的离子则转到激发态。这样的过程可以一个 接一个地继续下去，形成激发能量的传输。