最新光致发光(PL)光谱
光致发光(PL)光谱583课件
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
光致发光(PL)光谱583
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。
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
光致发光(PL)光谱583
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
光致发光（PL）光谱
光致发光(PL)光谱583
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
光致发光(PL)光谱583
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
光致发光(PL)光谱583
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。
PL操作说明
光致发光(PL)光谱测试操作规程(一)电源及机器启动方式1.打开电源配电箱后的电源开关，接通总电源。
2.按照正常开机顺序启动电脑。
3. PL光谱测试仪电源启动方式：a. 旋转紧急停止开关（红色按钮弹出状态）b. 按下电源启动开关（蓝色按钮、power指示灯为红色）。
c. 将开机开关打开到1的位置上（绿色按钮），机器启动（power灯为绿色，真空指示灯（V ACUUM）为红色）。
4.接通真空泵。
(二)操作软件菜单使用说明1.单击桌面菜单中的（）图标，等待软件初始化。
2.初始化完成后，进入登陆口令窗口对话框，在User level中选择Engineer选项，不用键入password，点击OK，进入操作菜单。
3.打开样品室盖，用镊子将所测样品放入到载物台中，注意放置时应将中央真空抽气孔完全覆盖。
按下抽真空按钮（绿色按钮），样品被吸附到载物台中，完成载物过程（此时抽真空提示灯由红色转为绿色）。
闭合样品室，确认样品室闭合指示灯为熄灭状态。
4.返回操作菜单，点击工具栏中的load wafer（）按钮，样品载入至测试仪器内，完成准备工作。
(三)具体实验测试过程说明A. Single Spectrum检测1.选择纵向工具栏中的Single Spectrum（）按钮，等待程序操作界面跳出。
2.在程序对话框中，首先选择range类型，其中包括single frame 和wide scan 两种模式：在single frame 模式中，首先确定mode模式为PL Spectrum和standard根据自己所测样品的理论数据修改center（发光中心谱线波长）和谱线测试的最大值和最小值。
wide scan模式中，只需改动min及max两值即可。
3.测试过程默认测试点为R,T=0，0mm，0，0deg，若期望测试样品其他点处的Single Spectrum，点击move stage按钮，得到操作对话框。
在右侧网格坐标图中直接点击选取期望测试点；或在左侧absolute position中输入相应值，单击go键可将测试点移动到期望位置。
通过光致发光光谱计算激子解离效率
光致发光光谱（photoluminescence spectrum, PL谱）是一种常用的表征半导体材料光学性质的手段。
通过激发光源照射样品，测量样品发射的光谱特性，可以得到样品的发光峰值、半导体材料的载流子寿命和激子解离效率等重要信息。
本文将通过光致发光光谱计算激子解离效率的相关理论及计算方法进行探讨。
1. 光致发光光谱的基本原理光致发光光谱是指当外界光照射到样品后，通过测量样品发射光的能谱和强度变化，研究样品内部载流子的复合和发光过程。
在激子体系中，激子解离是一个重要的过程，激子的解离效率对半导体材料的发光性能有着重要影响。
通过光致发光光谱可以间接的推断出激子解离效率，为进一步研究半导体材料的光学性质提供了重要手段。
2. 激子解离效率的计算方法激子解离效率可以通过光致发光光谱中的激子发光峰和自由载流子发光峰的位置和强度变化来计算。
在样品中，由于激发光源的作用，激子和自由载流子会产生发光，通过测量样品的光谱可以得到激子和自由载流子的发光峰值。
激子解离效率可以通过以下公式计算：激子解离效率 = (激子发光峰值 - 自由载流子发光峰值) / 激子发光峰值其中，激子发光峰值和自由载流子发光峰值分别为在样品发光光谱中激子和自由载流子的发光峰值。
通过测量样品的光致发光光谱，并进行激子解离效率的计算，可以直观的了解激子解离过程对样品发光性质的影响。
3. 激子解离效率的影响因素激子解离效率受到多种因素的影响，主要包括材料的结构和纯度、激子的束缚能和载流子的密度等。
在材料的结构和纯度方面，晶格缺陷和杂质的存在会损害激子的稳定性，导致激子解离效率的降低。
而激子的束缚能和载流子的密度则会影响激子的形成和解离过程，进而影响激子解离效率的大小。
在研究激子解离效率时，需要综合考虑以上因素的影响，以更准确的评估半导体材料的光学性能。
4. 光致发光光谱计算激子解离效率的应用光致发光光谱计算激子解离效率是一种非常有效的手段，可以为半导体材料的光学性能研究提供重要的参考。
PL谱
激光器
激光器电源
狭缝
光电倍增管
锁相放大器 单色仪
样品室 样品 透镜
计算机
制冷仪 图2 光致发光光谱测量装置示意图
实验室仪器
氩离子激 光器电源
氩离子 激光器
He-Cd 激光器
样品架 样品室 (杜瓦瓶 杜瓦瓶) 杜瓦瓶
制冷仪
真空泵
TRIAX550 PL谱仪 谱仪
放大器
) 放置样品(晶片，粉体，薄膜 晶片 2. 抽真空 3. 降温 4. 激光器使用 5. 光谱仪自检 6. 校准 7. 样品发光光谱测量 8. 变温测量 9. 变功率测量 10.关机 关机
高质量CZT晶体 谱的近带边区 晶体PL谱的近带边区 图4 高质量 晶体
谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（ 该PL谱的主峰为中性施主的束缚激子峰（D0, X）。 谱的主峰为中性施主的束缚激子峰 ） 而 CdTe和 Cd0.96Zn0.04Te在该区域内的主发光峰则通常为 和 在该区域内的主发光峰则通常为 受主－束缚激子峰（ 受主 － 束缚激子峰 （ A0,X） 。 在 Cd0.9Zn0.1Te晶体的近带 ） 晶体的近带 边区的PL谱除此之外中 ， 边区的 谱除此之外中， 还可以看到基态自由激子峰 谱除此之外中 （X1）、上偏振带峰（Xup）以及第一激发态自由激子峰 上偏振带峰（ 对于质量较差的CZT晶体， 无法看到其自由激 晶体， （ X2 ） 。 对于质量较差的 晶体 子峰（ 和一次激发态自由激子峰（ 低温PL谱 子峰（X1）和一次激发态自由激子峰（X2）。低温 谱 可以用来比较全面的评价CZT晶体的质量， 并由此来推 晶体的质量， 可以用来比较全面的评价 晶体的质量 断晶体的探测性能。 断晶体的探测性能。
10
IV
III
荧光光谱pl
荧光光谱pl荧光光谱(pl)是指在某些物质受到光的激发后，发出的瞬间强度较大但持续时间短暂的荧光辐射。
它是研究物质结构、性质的重要手段之一。
以下是关于荧光光谱pl的相关内容：一、荧光光谱pl的基本原理荧光光谱pl是通过向试样中照射一定波长的激发光，使试样分子处于高能激发态，进而发生荧光辐射而获得的。
当试样吸收光子后进入激发态时，仅有部分分子通过非辐射跃迁回到基态，而大部分分子通过跃迁过程来释放激发能量，这种能量释放的过程称之为荧光发射。
荧光光谱pl就是通过检测荧光发射强度对波长的变化来描述样品的发荧光性质的。
二、荧光光谱pl的应用1.荧光光谱pl广泛应用于材料科学、生物学、环境监测、能源等领域。
2.在荧光分析中，荧光光谱pl可用于检测有机化合物、无机离子、蛋白质和DNA等生物大分子，以及某些药品的成分和污染物的存在。
3.荧光光谱pl通过测量荧光发射强度和发射峰位置，可以确定样品的结构、组成和浓度等，同时还可以寻找药物相互作用和广谱荧光探针等。
4.在环境监测中，荧光光谱pl可用于检测水、土壤和空气中的污染物，如多环芳烃、重金属、农药等。
三、荧光光谱pl的实验方法1.激发光源：常用的激发光源有汞灯、氙灯、氩离子激光和绿色半导体激光等。
2.检测器：荧光光谱pl检测器包括荧光光度计、荧光显微镜和荧光图像系统等。
3.样品的制备：根据样品的不同性质和要求，可选择不同的制备方法，如液相、固相和气相制备等。
4.数据分析：荧光光谱pl数据分析包括测量光谱曲线、光谱峰点、荧光稳定性等指标的测定和计算。
总之，荧光光谱pl是研究物质结构、性质的重要手段，其应用广泛，实验方法也较为简单。
随着科技的不断发展，荧光光谱pl在更多领域中也将得到更加深入的研究和应用。
光致发光(PL)光谱56099讲课教案
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。
2、杂质识别 根据特征发光谱线的位置，可以识别GaAs和GaP
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。
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
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。
（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 复合，这种过程中的辐射复合几率很小。
光致发光技术PL(PhotoLuminescence)分析结晶硅片及电池片
定。 ＾ （ ＝ （） Ｊ ） ） ＾ ０ Ｋ
｝
Ｒ● ■ ｖ●∞ ● ．ｏｎ ｈ ｂ瞳
相 临 近 原 生 硅 片 （ ｓ ｕ ）分 别 以 不 同 制 Ａ ｔ， Ｃ 程 包 括 ： 散 及 氮 化 后 （ ｆ ｒ ｈｓｈ ｒ ｓ 磷扩 Ａｔ ｏｐｏｏ ｅＰ ｕ
Ｔ ｃ ｎ ｏ ｙ 技术 ｅ ｈ ｏｌｇ
光致发光技术 Ｐ （ ｈ ｔＬ ｍｉｅｃｎ ｅ Ｌ Ｐ ｏｏ ｕ ｎ ｓｅ ｃ ） 分析结 晶硅 片及 电池 片
ＢＴ Ｉ ｇ ｎ ｔ ｔ Ｔ． ｕ ｋ ， Ａ． ａ ｄ ｓ ｍａ ｉｇ Ｐ ｙ Ｌ ｄ Ｔｒ ｐ ｅ Ｒ． Ｂ ｒ ｏ
ＲＥＣ Ｓｃ ｎ ａ ｅ ａ Ｗ ｆｒ ＡＳ， ｏ ｓ ｒ ｎ ， ｒ ｙ Ｊ Ｎｙ ｕ Ｐ ｒｇ ｕ ｎ Ｎｏ ｗａ ． ｈ ｓ
发 射 极 磷扩 散 （ ｔ ｕ ｅ ｉｅ ｄ ｕｉ Ｗｉ ｏｔ ｍｔｒ ｉ ｓ ｎ， ｈ ｔ ｆ ｏ ｗｔＳＮｆｉｇ ， ｉ ｉ ｉ ｎ ）网印电池片（ ｕ ｙ ｒｃｓｅ ｈ ｃｕｔ ｒｔ ｆ ｍ Ｌ ｉ ａｉ ｄ ｍ ｎ ｓ ｎ ｖｒ ｅ ｏ ｎ ａ ｒ Ｐ ｍ ｇ ｇ ｉ ｇ ｅ ｏ ｎ
ｍｅ ｓ ｒｄ Ｏ ｓ ｃ ｔｗ ｆｒ ｓａｌｎ ｔ ｎ ｏ ｈ ｏｉ ｏ ｊ ａｕ ｅ Ｈ ａ－ ｕ ａｅｓａ ｃ ｏ ｆｔｅｐ ｓｔ ｎ ｎ ｉ ｉ
仅在研 究开发方面， 也适合在线硅 片高速分选 。
光致发光(PL)光谱解读
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
பைடு நூலகம்
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
2、杂质识别 根据特征发光谱线的位置，可以识别GaAs和GaP 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 ）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
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
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。
光致发光的光谱
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
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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。 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。 发光称为反斯托克斯发光，它在实际上是存在的。但是它 的强度很低，常常被看作是一种例外情况，没有实用价值。 的强度很低，常常被看作是一种例外情况，没有实用价值。 实际上，对大多数发光材料而言 ， 即使用发光区内的 实际上， 对大多数发光材料而言， 波长还能够激发发光，效率也是极低的。 波长还能够激发发光，效率也是极低的。随着激发波长的 增长，效率趋近于零。因此过去认为， 增长，效率趋近于零。因此过去认为，反斯托克斯发光只 有理论上的意义。 有理论上的意义。
光致发光光谱
1 光致发光发光光谱
2
光致发光光谱的产生机理 光致发光光谱的产生机理 发光光谱的
3
斯托克斯发光和反斯托克斯 发光
光致发光发光光谱（也称发射光谱） 一 光致发光发光光谱（也称发射光谱）
我们知道，光致发光是发光材料吸收光子（或电 磁波）后重新辐射出光（或电磁波）的过程。
1 光致发光发光光谱简介
光致发光(PL)专题实验报告
光致发光（PL）专题实验实验一、荧光谱仪的结构及基本操作荧光光谱仪一般由光源、激发光源、发射光源、样品池、检测器、显示装置等构成。
其结构示意图如图所示。
实验所用仪器为英国Fluorosecence 9000系列仪器，光源为150W氙灯，仪器的工作波长范围为200nm－900nm，系统具有自检功能，可以记录发射光谱、激发光谱、动态实时光谱等，具有定量分析测量功能和谱图处理功能。
思考题：解释激发光谱和发射光谱，并说明激发光谱和发射光谱有什么关系？答：激发光谱(excitation spectrum )——就是反映物质受到激发以后的情况，反映出该物质对于外来激发光的响应，反映其自身辐射波长随激发波长的变化关系；发射光谱(emissionspectrum)——在某一波长光激发下处于高能级的原子或分子在向较低能级跃迁时产生辐射，将多余的能量发射出去形成的光谱。
关系：1)波长比较与激发(或吸收)波长相比，荧光发射波长更长，即产生所谓Stokes 位移。
(振动弛豫失活所致)2)形状比较荧光光谱形状与激发波长无关。
尽管分子受激后可到达不同能层的激发态，但由于去活化(内转换和振动弛豫)到第一电子激发态的速率或几率很大，好像是分子受激只到达第一激发态一样。
3)镜像对称：通常荧光光谱与吸收光谱呈镜像对称关系。
实验二、维生素B2溶液的荧光光谱一、实验准备取两粒2VB 研磨至均匀粉末，再用200ml 去离子水溶解至均匀。
二、实验步骤： 1）换好液体样品支架； 2）开启电脑、仪器； 3）打开软件进行初始化；4)严格参照仪器操作规程进行各参数设置（为确保仪器安全，信号强度<610)； 5)将准备好的液体溶液倒入比色皿（约3231~）放入样品架，完成下面实验内容三、实验内容：①本实验中由实验老师提供2VB 溶液，用365nm 光激发，记录从200-700nm 的发射光谱，找出荧光光谱中最大峰值对应的m ax EM λ。
光致发光光谱
第十七页，共19页。
谢谢大家！
第十八页，共19页。
内容总结
光致发光光谱。光致发光光谱光致发光光谱。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。（3）束缚激子复合 —— 指被施主、受主或其
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
第二页，共19页。
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
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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。
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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
第九页，共19页。
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。
PL 光谱
固態光學實習三、螢光光譜量測原理及實驗1.實驗原理1-1光激發螢光光譜光激螢光(photoluminescence，簡稱PL)光譜，是將一道激發光能量必須大於材料的能隙照射在樣品上，對半導體材料而言，在吸收此激發光能量後，價帶中的電子會激發至導電帶中上，價帶上則產生一電洞，形成電子-電洞對(electron-hole pair)，由於庫侖力的吸引，使電子-電洞對以激子的形式存在。
II-VI 半導體晶體的PL光譜主要是激子的放射，激子可視為是類氫原子組態，因此可像氫原子般建立束縛態的能階結構，激子能階是位於導電帶減去一個激子結合能處。
具較高能量的激子會因局域化效應損失部份能量而至較低能態上。
在沒有外來光子的情形下，激子具有一定的生命期，電子會與電洞輻射性的復合放出光子，如圖3-1所示，其中可能也包含非輻射性的放射，例如以熱的形式釋出。
PL量測技術目前已被廣泛應用於半導體材料的光學特性與電子結構的研究分析上。
PL光譜可以顯示出材料的優劣性，例如:樣品的不均勻度、雜質分布以及缺陷(defects)……等等。
一個較理想的晶體，其PL光譜是呈現半高寬較窄、峰值較尖銳的曲線。
1-2激子與聲子耦合產生的譜線增寬效應晶體內的原子是在各自平衡位置上作振動，其振動模式可以用一系列獨立的簡諧振子來描述，而這些諧振子的能量量子稱為聲子(phonon)，晶格振動直接影響晶體的許多性質，如比熱、熱膨脹、熱導及一些光學性質等等。
在半導體中，激子扮演一個很重要的角色，在此節中將探討激子與聲子耦合作用對PL 帶寬的影響。
聲子有分光學(optical)及聲學(acoustic)聲子，其中以波的形式又可區分為縱向(longitudinal)與橫向(transverse)。
以下我們就來探討激子與聲子交互作用對光譜譜線增寬造成的影響。
先寫出聲子(a +, a )及激子(B +, B )算子的Hamiltonian ：[II]∑+=qq q q ex B B E H ,λλλλ (1)∑+=qq q q ph a a H ωh (2)∑+−++−+=qk q q k q k ph ex a a B B q V H ,,',',')()(λλλλλλ (3)在低密度下激子可以視為波色子(bosons):[12] (4)',',''],[q q q q B B δδλλλλ=+其中E λq 是量子數為λ，質心波向量為q 的激子能態，而ħω(q)是波向量q 的聲子能量。
光致发光(PL)专题实验报告
光致发光（PL）专题实验实验一、荧光谱仪的结构及基本操作荧光光谱仪一般由光源、激发光源、发射光源、样品池、检测器、显示装置等构成。
其结构示意图如图所示。
实验所用仪器为英国Fluorosecence 9000系列仪器，光源为150W氙灯，仪器的工作波长范围为200nm－900nm，系统具有自检功能，可以记录发射光谱、激发光谱、动态实时光谱等，具有定量分析测量功能和谱图处理功能。
思考题：解释激发光谱和发射光谱，并说明激发光谱和发射光谱有什么关系？答：激发光谱(excitation spectrum )——就是反映物质受到激发以后的情况，反映出该物质对于外来激发光的响应，反映其自身辐射波长随激发波长的变化关系；发射光谱(emissionspectrum)——在某一波长光激发下处于高能级的原子或分子在向较低能级跃迁时产生辐射，将多余的能量发射出去形成的光谱。
关系：1)波长比较与激发(或吸收)波长相比，荧光发射波长更长，即产生所谓Stokes 位移。
(振动弛豫失活所致)2)形状比较荧光光谱形状与激发波长无关。
尽管分子受激后可到达不同能层的激发态，但由于去活化(内转换和振动弛豫)到第一电子激发态的速率或几率很大，好像是分子受激只到达第一激发态一样。
3)镜像对称：通常荧光光谱与吸收光谱呈镜像对称关系。
实验二、维生素B2溶液的荧光光谱一、实验准备取两粒2VB 研磨至均匀粉末，再用200ml 去离子水溶解至均匀。
二、实验步骤： 1）换好液体样品支架； 2）开启电脑、仪器； 3）打开软件进行初始化；4)严格参照仪器操作规程进行各参数设置（为确保仪器安全，信号强度<610)；5)将准备好的液体溶液倒入比色皿（约3231~）放入样品架，完成下面实验内容 三、实验内容：①本实验中由实验老师提供2VB 溶液，用365nm 光激发，记录从200-700nm 的发射光谱，找出荧光光谱中最大峰值对应的max EM λ。
②检测max EM λ，记录对应激发光谱。
PL谱
一、光致发光基本原理 二、仪器及测试 三、应用
一、光致发光基本原理
1. 定义：所谓光致发光(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
实验室仪器
氩离子激 光器电源
氩离子 激光器
He-Cd 激光器
样品架 样品室 (杜瓦瓶)
制冷仪
真空泵
TRIAX550 PL谱仪
放大器
控温仪
测试
1. 放置样品(晶片，粉体，薄膜) 2. 抽真空
3. 降温
4. 激光器使用 5. 光谱仪自检 6. 校准 7. 样品发光光谱测量
8. 变温测量
2. 测定半导体中浅杂质的浓度 3. 半导体中杂质补偿度的测定
4. 对缺陷的研究
5. 对少子寿命的研究 6. 对半导体理论问题的研究
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 中心位于1.1eV的发光峰带。
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，
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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。
）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
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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
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
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
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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。
（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 复合，这种过程中的辐射复合几率很小。
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
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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
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； __________________________________________________
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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 中心位于1.1eV的发光峰带。 __________________________________________________
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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。
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光致发光（PL）光谱
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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
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。
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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。
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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
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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。
2、杂质识别 根据特征发光谱线的位置，可以识别GaAs和GaP
中的微量杂质。
3、硅中浅杂质的浓度测定 __________________________________________________