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。
单壁碳纳米管的pl谱
单壁碳纳米管的pl谱
单壁碳纳米管的PL谱（光致发光谱）是一种测量单壁碳纳米管光学特性的重要手段。
通过测量单壁碳纳米管的光致发光光谱，可以了解其电子结构和光学性质，进一步研究其物理和化学性质。
光致发光谱是一种光谱学技术，通过测量单壁碳纳米管在特定波长光的照射下发射出的光的强度和波长，可以得到其光致发光光谱。
通过分析光致发光光谱的形状、峰值位置和强度等信息，可以推断出单壁碳纳米管的电子结构和能级结构等重要信息。
单壁碳纳米管的光致发光谱具有多种不同的特征，包括不同的发光峰位、发光峰的形状和强度等。
这些特征与单壁碳纳米管的直径、手性、缺陷和掺杂等性质密切相关。
因此，通过测量单壁碳纳米管的光致发光谱，可以深入了解其基本性质和物理化学特性，进一步推动其在光电器件、传感器和生物医学等领域的应用。
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。
半导体材料瞬态成像方法
半导体材料瞬态成像方法
半导体材料瞬态成像的方法主要包括光致发光光谱（PL）、光致发光显微镜（PLM）、时间分辨光致发光光谱（TRPL）和瞬态吸收光谱（TA）等。
这些方法可以用于研究半导体材料的瞬态行为，如载流子的扩散、复合、注入和输运等。
光致发光光谱（PL）是一种常用的半导体材料表征技术，通过测量材料在光激发下发出的荧光光谱，可以获得材料的能级结构和载流子信息。
光致发光显微镜（PLM）则可以将光学图像与光致发光光谱相结合，以获得材料中不同能级结构和载流子分布的信息。
时间分辨光致发光光谱（TRPL）可以进一步研究瞬态行为，通过测量荧光寿命或荧光衰减时间，可以得到载流子的扩散和复合等信息。
瞬态吸收光谱（TA）是一种更先进的表征技术，通过测量材料在光脉冲激发下的瞬态吸收变化，可以获得载流子的动态行为和材料的光学响应。
这些方法都是基于光学的原理，利用不同的技术和参数来研究半导体材料的瞬态行为。
在实际应用中，需要根据具体的研究目标和材料性质选择合适的方法。
光致发光(PL)光谱
e-D+
e-h e-h
e-A
声子参加
D-h
D-A
(a)
(b)
(c)
图1 半导体中多种复合过程示意图（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，有六种不同旳复合机构会发射光 子，它们是： （1）自由载流子复合 —— 导带底电子与价带顶空穴 旳复合； （2）自由激子复合 —— 晶体中原子旳中性激发态被 称为激子，激子复合也就是原子从中性激发态向基态 旳跃迁，而自由激子指旳是能够在晶体中自由运动旳 激子，这种运动显然不传播电荷； （3）束缚激子复合 —— 指被施主、受主或其他陷阱 中心(带电旳或不带电旳)束缚住旳激子旳辐射复合，其 发光强度伴随杂质或缺陷中心旳增长而增长；
）是表征材料纯度旳主要特征参数。
6、少数载流子寿命旳测定
7、均匀性旳研究 测量措施是用一种激光微探针扫描样品，根据样
品旳某一种特征发光带旳强度变化，直接显示样品旳 不均匀图像。
8、位错等缺陷旳研究
图3 CZT晶体在4.2K下经典旳PL谱。该PL谱涉及四个区域： （1）近带边区；（2）施主－受主对（DAP）区；（3）受主 中心引起旳中心位于1.4eV旳缺陷发光带；（4）Te空位引起旳
2、光致发光旳缺陷
它旳原始数据与主要感爱好旳物理现象之 间离得比较远，以至于经常需要进行大量 旳分析，才干经过从样品外部观察到旳发 光来推出内部旳符合速率。
光致发光测量旳成果经常用于相正确比较， 所以只能用于定性旳研究方面。
测量中经常需要液氦低温条件也是一种苛 刻旳要求。
对于深陷阱一类不发光旳中心，发光措施 显然是无能为力旳。
（4）浅能级与本征带间旳载流子复合——即导 带电子经过浅施主能级与价带空穴旳复合，或价 带空穴经过浅受主能级与导带电子旳复合； （5）施主-受主对复合——专指被施主-受主杂质 对束缚着旳电子-空穴正确复合，因而亦称为施 主-受主对(D-A对)复合； （6）电子-空穴对经过深能级旳复合——即SHR 复合，指导带底电子和价带顶空穴经过深能级旳 复合，这种过程中旳辐射复合几率很小。
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。
光致发光(PL)光谱课件
图2 光致发光光谱测量装置示意图
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
单色仪
光电倍增管
锁相放大器 计算机
制冷仪
三、光致发光特点
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、光致 发光的优
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。
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。
三．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。
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
光致发光光谱仪介绍
光致发光光谱仪介绍光致发光谱仪主要由激光光源、样品室、发射光谱仪、探测器、数据采集器及数据处理系统和软件等六部分组成。
可用于测量直接带隙且禁带宽度小于3.82eV（1241/325）的材料的光致发光谱。
只要应用于组分测定、杂质识别、杂质浓度测定、变温Pl可以测试材料/器件的发光效率、半导体材料的少数载流子寿命和位错等缺陷的相关作用研究功能：优异的成像性能：采用超环面反射镜纠正散光；通过非对称式光路设计和的光栅在轴扫描设计减少慧差和其他相差；聚焦镜比准直镜更大，使得整个平场范围无暗角（在焦平面边缘无光通量损失）。
消除二次衍射光：经计算机模拟优化的非对称式光路设计，能精确优化定位光学元器件的位置，从而达到消除二次衍射光的目的。
光栅的在轴扫描技术：能够使信号光一直保持在光栅正中心的表面，提高光栅的分光效率与准确性，保证高光通量与光谱稳定性。
灵活&易于使用：光谱仪出入口的可选择性，各种类型的光栅，全系列的附件及相关软件，使得客户能够定制化iHR光谱仪去实现任何一个实验需求。
稳定性：为光谱测量提供了一个长期稳定的平台。
采用高质量的材料和一体化铸造的结构。
驱动部分经过检测和复检以确保该系统符合我们的重复性和精度要求。
与CCD探测器结合：凭借光谱仪的出众品质，结合CCD探测器的制造技术，优化了CCD和光谱仪的设计。
拥有全系列的大型小型CCD芯片可以与光谱仪匹配。
探测器拥有开放电极、背照射、深耗尽及正入射等探测器，均带有TE制冷或液氮制冷功能。
光致发光光谱，简称PL谱，指物质在光的激励下，电子从价带跃迁至导带并在价带留下空穴；电子和空穴在各自的导带和价带中通过弛豫达到各自未被占据的最低激发态（在本征半导体中即导带底和价带顶），成为准平衡态；准平衡态下的电子和空穴再通过复合发光，形成不同波长光的强度或能量分布的光谱图。
光致发光过程包括荧光发光和磷光发光。
pl光致发光光谱测试条件
pl光致发光光谱测试条件一、测试目的光致发光（PL）光谱测试是一种用于研究材料发光特性的重要手段。
通过PL光谱测试，可以了解材料的发光性质、能级结构以及材料内部的缺陷和杂质等信息。
本测试条件旨在规范PL光谱测试的实验操作流程，确保测试结果的准确性和可靠性。
二、测试原理光致发光（PL）光谱是材料在吸收光子后，将能量转化为荧光发射的现象。
PL 光谱反映了材料内部能级结构、缺陷和杂质等信息。
通过对PL光谱的分析，可以了解材料的发光性质、能级结构以及材料内部的缺陷和杂质等信息。
三、测试条件1. 样品准备（1）样品应具有代表性，能够反映材料的整体性能。
（2）样品应清洁、干燥，无杂质和污染物。
（3）样品尺寸应适中，以便于测试和观察。
2. 测试环境（1）实验室温度应保持在20±5℃。
（2）实验室湿度应保持在50±5%。
（3）实验室应保持清洁、无尘，避免影响测试结果。
3. 光源选择（1）选择合适的激光光源，确保其波长、功率和稳定性满足测试要求。
（2）激光光源的波长范围应覆盖样品发光的主要波段。
4. 样品处理（1）对于固体样品，应将其研磨成粉末或薄片，以便于测试。
（2）对于液体样品，应将其稀释至适当浓度，以便于测试。
5. 测试参数设置（1）设置合适的激发波长和发射波长范围，以便于捕捉样品的PL光谱。
（2）设置合适的扫描速度和步长，以便于获得准确的PL光谱。
6. 数据处理与分析（1）对获得的PL光谱进行去噪、平滑等处理，以提高数据质量。
（2）对PL光谱进行拟合和分析，提取发光峰位、强度等信息。
四、注意事项1. 在进行PL光谱测试前，应对样品进行充分的了解和研究，以便选择合适的测试条件和方法。
2. 在测试过程中，应注意保护眼睛和皮肤，避免长时间暴露在激光光源下。
3. 在数据处理和分析过程中，应注意数据的准确性和可靠性，避免误导实验结果。
光致发光和电致发光谱概述
斯托克斯定律（Stoke’s law）
发光材料的发射光波长一般总是大于激发光波长，这称为 斯托克斯定律，激发光波长（或能量）与发射光波长（或能量） 之差称为斯托克斯位移，或者说发光的光子能量通常要小于激 发光子的能量。
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。
反斯托克斯效应（Anti-stoke’s effect）
17
按照弗兰克－康登原理：
光学吸收跃迁是垂直的。原因是当 发光中心吸收了发光能时，系统的能量 将由基态竖直的跃迁到激发态。从基态 向激发态的跃迁是电子的，而水平位移 是核的，距离只是核间距，电子的激发 时间很短，电子的运动比核快很多，激 发结束的瞬间系统的位形没能来得及发 生变化。所以电子跃迁可以很好地近似 看作在静态环境内进行。
用于波长低于450nm的情形，汞灯和氙灯是常用的两种具有线状 谱的光源，汞灯有高压的和低压的，低压汞灯线状谱较锐，高压 汞灯工作在高温高压下，原子谱线展的较宽。但作为紫外光源， 二者共同的缺点是在可见光区和红外光区有较大的输出，另一种 常见的紫外光源是氘灯，虽然它的光强度较低，但具有很好的紫 外连续谱，且可见光成分很少。
耦合：电子与晶格振动相互作用。 △R反映了这种耦合的强度。
在较高温度下，起始状态也可能是 v＞0的能级，这样会使吸收带更宽。
位形坐标与对应的吸收谱
21
基质晶格吸收
除了发光中心吸收外界能量，基质晶格也会吸收能量，通 过两种方式：
1、产生自由电子和空穴；光跃迁属于电荷跃迁类型。 2、产生电子-空穴对（激子）。 前者需要的能量超过材料的带隙；后者可以略小于带隙。
然而，如果△ R≠0，则v＝o与几个v’＞ o能级间有最大的振动重叠，就可以观察到 宽带吸收。吸收带越宽，则△ R值越大。吸 收谱的宽度可以表征激发态和基态之间的△ R值的大小。
光致发光光谱
光致发光光谱光致发光光谱（Photoluminescence，简称PL）是指物质在有一定波长激发光照射下，发出更长波长的发光，从而把激发光和发光光结合起来，形成一种特殊的光谱现象。
这种光谱现象不仅可以揭示物质内部电子跃迁过程，而且还可用来探测物质表层的结构特性，为物质结构分析提供重要的技术条件。
1.致发光光学原理光致发光是一种物理现象，它的形成促使数个电子从它们的能级转变到另一个能级，在此过程中，释放出辐射，这种辐射就是光致发光光谱。
首先，激发光照射到物质表面，产生电子从低能级转移到一个更高的能级，即称为有效光激发。
而这些激发后的电子只能在这个能级停留一段很短的时间，然后又返回到原来的能级，并释放出光子，即为发光回复过程。
这些发出的光子就是光致发光光谱。
2.致发光光谱的应用光致发光光谱具有无损检测的优点，已经在材料结构分析、化学鉴定、有毒和有害气体检测、农业生态等领域发挥着重要作用。
此外，光致发光光谱也可作为非线性光学分析的基础，在非线性增强型激光膜、生物分子识别、荧光对明仪器等研究中也发挥着重要作用。
3.致发光光谱分析技术光致发光分析仪（PL）是一种用于光致发光光谱分析的仪器，它能够实现多种物质表层的结构特性的探测，也能够反映物质内部电子跃迁的过程。
其中，有时间解析光致发光（Time-Resolved PL）和实时光致发光（Real-Time PL）两种分析技术。
时间解析光致发光可以提供物质内部电子跃迁的过程的完整情况，如电子的促迁时间、电子与激发光的相互作用等；实时光致发光则能够更快速、更准确地探测物质表层的结构特性，如晶体结构变化、微结构变化、电子结构变化等。
结尾光致发光光谱是一种特殊的光谱现象，它可以揭示物质内部电子跃迁过程，也可以用来探测物质表层的结构特性。
它已经发挥着重要的作用，在材料结构分析、化学鉴定、有毒和有害气体检测、农业生态等领域。
并且，光致发光分析仪（PL）也可以作为非线性光学分析的基础，运用时间解析PL和实时PL来探测物质内部电子跃迁的过程及表层结构特性。
PL——精选推荐
PLPL（photoluminescence）光致发光光致发光（PL）是⼀种⽤于提供半导体材料的电学、光学特性信息的光谱技术，可以研究带隙、发光波长、结晶度和晶体结构以及缺陷信息等等。
PL谱分析光照射到发光材料上，激发产⽣荧光涉及到的PL谱有反射光谱，吸收光谱，激发光谱，发射光谱。
荧光和磷光均属于光致发光，所以都涉及两种辐射，即激发光(吸收)和发射光，因⽽任何荧光（磷光）化合物都具有两个特征光谱：激发光谱和发射光谱，它们都是荧光（磷光）定性和定量分析的基本参数和依据。
定量分析是以物质所发射的荧光强度与浓度之间的线性关系为依据的⽅法。
定性分析是以荧光光谱的形状和荧光峰对应的波长进⾏的分析⽅法。
吸收光谱发光材料对光的吸收遵循以下的规律：I (λ) = I0 (λ)e –kλx其中I0 (λ) 是波长为λ的光射到物质时的强度，I (λ)是光通过厚度x后的强度，kλ是不依赖光强、但随波长变化⽽变化的，称为吸收系数。
k λ随波长（或频率）的变化，叫作吸收光谱。
反射光谱，就是反射率R ，λ随波长（或频率）的变化。
在得不到单晶的情况下，通常只能通过材料的反射光谱来估计他们对光的吸收。
激发光谱：指不同激发光波长的辐射引起物质发射某⼀波长荧光的相对效率。
由此可知，激发光谱反映不同波长的光激发材料的效果。
激发光谱表⽰对发光起作⽤的激发光的波长范围。
理论上最⼤激发波长与最⼤吸收波长是⼀致的，实际上经过校正的激发光谱与吸收光谱⾮常接近。
发射光谱发射光谱⼜称荧光光谱，指的是发光的能量按波长或频率的分布，是分⼦吸收辐射后再发射的结果。
⼀般地，光谱的形状可以⽤⾼斯函数来表⽰，即EV = EV0 exp[-a(υ-υ0)/2]其中υ是频率，EV是在频率υ附近的发光能量密度相对值，EV0是在峰值频率υ0时的相对能量，а是正的常数。
⼀般的发光谱带，⾄少近似地都可以⽤如上公式表⽰。
向TA求助其他回答共1条光致发光(PL)是表征半导体材料中电⼦状态的⼀种常⽤的测试⼿段。
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PL光谱》课件
PL光谱的测量方法
激发光源：激光、氙灯等 光谱仪：单色仪、光栅仪等 探测器：光电倍增管（PMT）、CCD摄像机等
PL光谱的应用领域
材料科学研究 凝聚态物理学 光电器件制造等
PL光谱的分析方法
表观荧光量子效率 峰值位置的判断 荧光寿测量等
结论
PL光谱是一种非常重要的材料分析手段，可以提供材料的光电特性信息。 测量PL光谱需要一定的仪器和技术支持，但在凝聚态物理学、材料科学等领 域具有广泛的应用前景。
《光致发光PL光谱》PPT 课件
光致发光PL光谱是一种重要的材料分析手段，通过分析光的激发和发射来了 解材料的光电特性。本课件将介绍PL光谱的定义、测量方法、应用领域以及 分析方法。
什么是光致发光PL光谱？
光致发光（PL）是光在材料中引起电子的激发，并发射出光子的现象。 PL光谱分析材料的光电性能的重要手段，可以了解材料的能带结构、激发程度、缺陷等信息。
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。
光致发光谱
光致发光光谱技术的认识、应用及改进孙奇 20144214004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)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、磷光和上转换发光。
从分子电子结构上解释,荧光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和能量转移过程.在实验测试中,荧光发光光谱包括激发谱和发射谱两种。
激发谱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。
光致发光光谱原理
光致发光光谱原理
光致发光光谱（Photoluminescence spectroscopy）是一种通过
激发材料后测量其发射光谱的技术。
其原理基于光致发光效应，当材料受到入射光的激发后，电子从基态跃迁到激发态，再由激发态退回到基态时会发射出光子。
光致发光光谱实验通常通过以下步骤进行：
1. 光源激发：使用一定波长的光源照射材料样品，激发材料内的电子从基态跃迁到激发态。
常用的激发源包括连续激光、激光脉冲和X射线等。
2. 光子发射：激发后的电子会在激发态停留一段时间，随后通过自发辐射的方式返回基态。
在这个过程中，电子会释放出与能带结构相关的能量，发射出特定频率的光子。
3. 光谱测量：将发射出的光子收集起来，经过光学器件（如光栅、狭缝等）进行分光，然后使用光电探测器测量不同频率的发射光强度。
4. 数据分析：通过测量到的发射光强度与波长或频率的关系，可以得到光致发光光谱。
光谱中的峰对应于材料中不同能级之间的跃迁，可以提供用于分析材料结构、能带各种物理属性的信息。
光致发光光谱可以应用于材料科学、能源研究、表面物理化学等领域，通过测量材料的激发态与基态之间的跃迁过程，可以
揭示材料的光学、电子能级结构等重要信息，有助于理解材料的物理特性和应用潜力。
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，
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
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。
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。
反射镜
滤光片
真空泵
透镜
激光器
激光器电源
狭缝
光电倍增管
样品室
单色仪
样品 透镜
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。
（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。
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
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；
（ 4 ）浅能级与本征带间的载流子复合——即导
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 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
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
e-h
e-h e-A 声子参与 D-h
e-D+
D-A
(a)
Байду номын сангаас
(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
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（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
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。
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。