半导体功能材料的光电性质

半导体功能材料的光电性质

瞬态光伏技术是微区扫描技术中表面光电压的一种。表面光电压就是半导体的光伏效应，当半导体的表面被大于其带隙能的光照射时，半导体价带（VB）中的电子由于吸收了光子的能量，跃迁到半导体导带（CB），价带中留下空穴，产生光生电子-空穴对，这种光生电荷的空间分离产生的电势差为光伏效应，W.G.Adams在1876年最先观察到这一现象。1948年以后，半导体领域的开拓使得光伏效应成为一种检测手段，并应用于半导体材料特征参数的表征上。不同于稳态表面光电压（SPS）检测在连续波长的光激发下的光生载流子（电子或空穴）的分离结果，瞬态光伏技术检测的是在极短的光（纳秒ns或飞秒fs级别）激发后的光生载流子的产生、分离、复合等一系列动力学行为。

1瞬态光伏技术的发展

瞬态光伏的说法源于英文Transientphotovoltage。这种检测方法也有许多其他的表达方式，如时间分辨光伏等。最早利用瞬态光伏技术的是E.O.Johanson，1957年Johnson通过此技术探索了多种半导体中少数载流子的寿命。瞬态光伏技术的发展依赖检测仪器中光源的使用，Johnson采用的光源为电火花隙（Sparkgap），它的时间分辨率在微秒范围内。J.Hlavka和R.Svehla使用发光二极管作为光源，将测试装置从等效电路上进行分析，得到的时间分辨率为100ns。这一技术的改进对未来瞬态光伏技术的迅速发展起到了至关重要的推动作用。随着具有超快时间分辨率的脉冲激光器作为光源，瞬态光伏的时间分辨率也逐渐提高，在各类型的半导体材料中都有应用，探索这些半导体材料的光电性质，获得了很多优异的成果。例如20XX年，B.Mahrov等人研究了空穴导体CuSCN等和电

子导体TiO2等的瞬态光伏，分析得知不同的半导体类型（空穴或电

子导体）导致了电荷注入方式不同。

在利用瞬态光伏技术作为研究手段的工作中，德国

Th.Dittrich研究小组获得了令人瞩目的成绩。他们不仅检测到时

间分辨率为纳秒级的光伏结果，同时研究了不同类型半导体材料的

瞬态光伏性质，建立了多种模型。V.Duzhko博士在低电导材料方面

也做了大量的工作，从单一的Si器件到现在的复杂器件，如染料敏

化的TiO2器件、量子点电池器件等。此外，瑞士的

AndersHagfeldt小组，英国的BrianC.O'Regan小组和日本的KunioAwaga小组也对半导体材料的瞬态光伏性质有卓越的研究。在

国内复旦大学应用表面物理国家重点实验室的侯晓远教授课题组和

吉林大学光化学与光物理实验室的王德军教授领导的科研小组对瞬

态光伏技术的研究都取得非常好的研究成果。侯晓远教授课题组从

有机薄膜半导体等瞬态光伏结果发现了极快激子解离过程。王德军

教授课题组在研究功能半导体材料，如TiO2、ZnO、Fe3O4、BiVO4

等新兴的半导体材料的瞬态光电性质有重要发现。

2瞬态光伏技术的装置及获得的信息

理想的光伏测试技术可以调节不同的参数对半导体功能材料进

行测试，例如，调节系统的温度、压力、气氛等一系列参数，也可

以选择不同的光源（连续光源或者脉冲激光源）进行瞬态光伏（时

间分辨的光电压）的测量，如图1a中所示。作为一种无损检测设备，瞬态光伏系统的搭建通常是按照图1b中的简图自组装搭建。光源为

脉冲激光器，测试过程中经过衰减的激光可以通过渐变圆形中性滤

光片进行调节，衰减后的激光通过反光镜直接照射到样品池中。样

品池的被测信号经过信号放大器，由数字示波器进行检测记录。光