10 第9讲 材料光电性能测试技术

Company Logo
四、 四探针测试仪
电阻率值可由下面公式得出：
4.2 测试原理
V W d W d C G ( ) D ( ) 0G ( ) D ( ) I S S S S
ρ 0 为块状体电阻率测量值 W：为样品厚度（um） S：探针间距（mm） G(W/S)为样品厚度修正函数，可由附录IA或附录1B查得； D(d/S)为样品形状和测量位置的修正函数，可由附录２查得。 W/S＜0.5时，实用。 当圆形硅片的厚度满足W/S＜0.5时，电阻率为：
满足上述条件即为荧光。因此荧光范围比较宽，从X 射线到红外光谱区。
其他的能量如（化学反应、加热、生物代谢等）也会 有荧光。生活中很多现象都与荧光相关。如：钞票防 伪，日光灯管，萤火虫发光。
Company Logo
三、 荧光分光光度计
内转换 S
2
3.2 原理
振动弛豫 内转换 系间跨 越 T1 T2
荧 光 产 生 原 理 示 意 图
Company Logo
四、 四探针测试仪
4.2 测试原理
（a）块状和棒状样品体电阻率测量： 块状和棒状样品外形尺寸与探针间距比 较，合乎于半无限大的边界条件，电阻 率值可以直接由（１）、（２）式求出。
Company Logo
四、 四探针测试仪 （b）薄膜（片）电阻率测量
4.2 测试原理
簿片样品因为其厚度与探针间距比较， 不能忽略，测量时要提供样品的厚度形 状和测量位置的修正系数。
a
v I EHv
x
A
b
总结 (1) q>0时，RH>0,
Q I nqvab
U H
Company Logo
U H 0
(2) q<0时，RH<0,
1 IB nq b
U H 0
五、 霍尔效应测试仪
霍耳效应的应用 1、确定半导体的类型
5.1 测试原理
UH
1 IB nq b
N 型半导体载流子为电子 P 型半导体载流子为带正电的空穴
3.4 仪器结构
四个部分——激发光源、样品池、双单色器系统、检测器
特殊点——有两个单色器，光源与检测器通常成直角
单色器：选择激发光波长的第一单
色器和选择发射光 ( 测量) 波长的第
二单色器 光源：氙灯、高压汞灯、激光器 (
可见与紫外区)
检测器：光电倍增管
Company Logo
三、 荧光分光光度计
光源 激发单色器 样品池
3.4 仪器结构
检测器
发射单色器
检测器
荧光是散射谱，所以一般在垂直入射方向接收。背景没 有入射光，是“暗背景”，因此灵敏度高。
Company Logo
四、 四探针测试仪
4.1 方阻
I
透明导电薄膜 Transparent and conductive film
薄膜电阻: sheet resistance
S1
能 量 吸 收
发 射 荧 光
外转换
发 射 磷 振动弛豫 光
S0
l1
l2
l 2
l3
三、 荧光分光光度计
3.3 PL谱
某些物质受到光照射，除吸收某种波长的光之外， 发射出比原来所吸收光的波长更长的光——光致发光
（二级光）。
光致发光PL
荧光 fluorescence
磷光 phosphorescence 荧光分析法是根据物质的荧光谱线的位置
轴方向加以匀强磁场B时，在导电薄片两侧 ( A, A ) 产生一电位差
UH
，这一现象称为霍耳效应
A
I
v Z y B
I v B I x
b
U H RH
IB b
a
A
RH---霍耳系数
Company Logo
五、 霍尔效应测试仪 q>0
5.1 测试原理
Z
带电粒子在磁场中运动受到洛仑兹力
v v v f洛 qv B v v fe qEH
Company Logo
W 1 d 0 D( ) S 2 ln 2 S
四、 四探针测试仪
4.3 样品要求
方块电阻Rs： 0.1~1000 ohm/sq 样品形态：薄膜、薄片 （厚度<2mm）
样品材料：金属、半导体
四探针测试仪
五、 霍尔效应测试仪
5.1 测试原理
厚度b,宽为a 的导电薄片，沿x 轴通有电流强度I，当在y
IT T % 100% I0
二、 UV-Vis分光光度计 2.3 透过率（T%）
T%
FTO透明导电薄膜 透过光谱
银纳米线薄膜 透过光谱
二、 UV-Vis分光光度计 2.4 材料光学带隙
导带
hv
t
2
C hv Eg
价带
I I 0 e t I T % I 0
2、根据霍耳系数的测定载流子的浓度。 3、根据半导体电导率公式，结合四探针电阻 率的测量结果，可以确定半导体迁移率
nq
Company Logo
五、 霍尔效应测试仪
5.2 仪器结构
电阻率、载流子类 型、载流子浓度， 迁移率等电学性能
1 IB UH nq b
六、参考文献与课后思考题
参考资料
2
二、 UV-Vis分光光度计 2.5 摩尔吸收系数
摩尔吸收系数： 描述材料对不同波长光波的吸收能力
Company Logo
二、 UV-Vis分光光度计 2.5 摩尔吸收系数
朗伯-比尔定律：
I0 1 Abs lg lg bc I T
摩尔吸收系数
( L mol cm )
第9讲 材料光电性能测试技术
主
讲：周聪华
中南大学物理与电子学院 先进材料超微结构与超快过程研究所 2015-05-26
LOGO
内容提要 一、概述 二、紫外可见光分光光度计 三、荧光分光光度计 四、四探针测试系统 五、霍尔效应测试仪 六、参考文献与课后习题
一、概述
OLED: 有机发光二极管
及其强度进行物质鉴定和含量测定的仪器方 法。
Company Logo
三、 荧光分光光度计
荧光分子的两个特征光谱：激发 光谱和发射光谱（荧光光谱）。 (1) 激发光谱 表示不同激发波长下引起物质发 射某一波长荧光的相对效率。 激发光谱绘制：固定发射波长， 然后以不同波长入射光激发荧光， 以荧光强度F对激发波长l作图， 即为激发光谱。 (2) 最大激发波长 lex 激发光谱曲线最高处，处于激发 态的分子最多，荧光强度最大
Prog. Photovolt: Res. Appl. 14,429 (2006)
10.1%
Review in Nature 414, 338 (2001)
Nature 353, 737 (1991)7.1%
M. Grätzel 瑞士洛桑理工学院 (EPFL)
叶绿素: 光合作用
二、 UV-Vis分光光度计 2.5 摩尔吸收系数
北京谱析PU1800
二、 UV-Vis分光光度计
2.1 仪器结构
测试模式
紫外可见光分光光度计光路图 （透过率测试模式）
二、 UV-Vis分光光度计
2.2 工作模式
I I 0e
t
t 厚度
-光吸收系数
1） 透过率 T%
2） 反射率 R% 3） 吸光度
1 abs log T%
IR R% 100% I0
3.3 PL谱
三、 荧光分光光度计
(3) 荧光发射光谱（PL谱） 荧光光谱表示在所发射的荧 光中各种波长组分的相对强度。 绘制发射光谱时， 使激发光波 长固定在lex处，然后对发射光 谱扫描，测定各种波长下相应的 荧光强度，以荧光强度F 对发射 波长l作图，得发射光谱图（即 荧光光谱）。
3.3 PL谱
1 1
溶液厚度
溶液浓度
b(cm)
c(mol L )
百度文库
1
二、 UV-Vis分光光度计 2.5 摩尔吸收系数
N3染料吸收光谱 （浓度梯度）
N3染料在不同波长处的 Abs随浓度的变化曲线
测试：DSSCs-染料载负量
二、 UV-Vis分光光度计 2.5 摩尔吸收系数
染料敏化太阳能电池
11.18%
[1] Dong B.-Z. et al, Journal of Applied Physics 101,033713 (2007) [2] 杨兵初*, 熊 健, 周聪华,左舜贵,梁丽杰,稀土Nd 3+掺杂BaTiO3纳米粉体的 微结构与光致发光性能研究，湘潭大学自然科学学报 32 (2010) 28-31
紫外可见光分光光度计 荧光分光光度计
光电性能-2: 导电性能 四探针测试系统 霍尔效应测试仪 半导体参数测试仪
Company Logo
二、 UV-Vis分光光度计
2.1 仪器结构
波长范围： 200~1100 nm
样品适用广： 薄膜、溶液、块体
样品尺寸： 薄膜\块体 :1.5*1.5cm2 溶液: 比色皿(3mL）
四探针法测量原理图
Company Logo
四、 四探针测试仪
4.2 测试原理
材料电阻率
探针系数
20π C 1 1 1 1 (2) S1 S 2 S1 S 2 S 2 S 3
V C I
(1)
式中：S1、S2、S3分别为探针１与２，２与３，３与４之 间距，用cm为单位时的值，S1=S2=S3=1mm. 每个探头 都有自己的系数。C6.280.05单位cm。 若电流取I = C 时，则ρ ＝V，可由数字电压表直接读出。
U H avB
U H
1 IB nq b
五、 霍尔效应测试仪 q<0
v v v f 洛 q v B v v f e q EH
5.1 测试原理 v Z y B
A
I
v f洛 I v B v fe +++++ +++ ++++ +++++ +++ ++++
f 洛 f e E H vB F合 0 UH EH U H avB a
1.1 透光性能
OLED平板电视（LG）: 超薄-1mm
Company Logo
一、概述
1.1 透光性能
薄膜太阳能电池
触控屏
Company Logo
一、概述
电阻
1.2 导电性能
迁移率
OLED平板显示器功耗： 电阻
高速计算：高响应速率， 需要高迁移率
一、概述
光电性能-1: 透光性能
1.3 测试方式
思考题
1，如果有一瓶色素分子稀溶液，知道分子结构，但不清楚浓度，可以采 用什么方法测量浓度？说明方法与步骤。 2，对于一块半导体薄膜样品，如何测量其电阻率、载流子类型与浓度、迁移率？ 3，荧光分光光度计与紫外-可见光分光光度计的仪器结构有哪些异同点？荧 光光谱测量中，如果激发光波长改变，荧光光谱的波长分布有没有变化？为 什么？
禁带宽度Eg
hv≥Eg
1 ln C hv Eg T%
2
二、 UV-Vis分光光度计 2.4 材料光学带隙
ln(1/T)2
Eg=3.6 eV
FTO透明导电薄膜 透过光谱
（ln(100/T)）2 ~ hv
1 ln C hv Eg T%
Company Logo
三、 荧光分光光度计
荧光发射光谱 荧光激发光谱 磷光光谱
3.3 PL谱
200
260 320 380 440 500 560 室温下菲的乙醇溶液荧（磷）光光谱
620
三、 荧光分光光度计
3.4 仪器结构
四 面 光 比 色 皿
I0
Company Logo
Ia F
It
三、 荧光分光光度计
I
+++++ +++ v ++++
A
y
v B
a
v EH
v B
I
f洛
v fe
v
I x
f 洛 f e E H vB F合 0
A
b
此时载流子将作匀速直线运动，同时 A, A 两侧停止电 荷的继续堆积，从而在 A, A 两侧建立一个稳定的电势差
Company Logo
UH EH a Q I nqvab
对电极
电解质
TiO2 纳米晶 Dye FTO
光阳极
DSSC结 构示意图
典型的TiO2纳 米晶多孔薄膜
三、 荧光分光光度计
3.1 荧光现象
Company Logo
三、 荧光分光光度计
3.1 荧光现象
Company Logo
三、 荧光分光光度计
3.2 原理
荧光：某些物质受到照射后发出能量较低的光，一旦 光照停止，光线也立即消失，称为荧光。入射光和发 射光频率之差称为斯托克频移。
四、 四探针测试仪
I
L
4.1 方阻
d
Rs
l Rs l d d Rs d
Rs (ohm), (ohm / sq)
(ohm cm)
d (cm)
已知厚度，可以测量电阻率
四、 四探针测试仪
4.2 测试原理
(a) １、２、３、４四根 金属探针排成一直线时， 并以一定压力压在半导体 材料上; (b) 在１、４两处探针间 通过电流I; (c) ２、３探针间产生电位 差V。
答案可通过邮件提交：姓名-学号-第9讲作业 chzhou@csu.edu.cn