光致发光的光谱
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。
光致发光光谱 77k 磷光
光致发光光谱 77k 磷光
光致发光光谱（Photoluminescence Spectrum）是一种通过外界光源激发样品并测量其发出的荧光来研究材料属性和结构的实验技术。
光致发光光谱可以提供关于材料的能带结构、能态密度、激子、杂质等信息。
77K是光致发光光谱常用的实验温度，通常在液氮温度下进行实验，以降低杂质激发和热激发的干扰，使得样品能够更好地呈现出光致发光特性。
磷光（Phosphorescence）是一种发光现象，它与光激发后的长寿命能级有关。
相比之下，荧光（Fluorescence）是一种发光现象，它与光激发后的短寿命能级有关。
在光致发光光谱中，由于涉及到能带、能态等信息的研究，往往更多地关注荧光现象。
因此，光致发光光谱 77K 磷光可能指的是在液氮温度下进行的光致发光光谱实验，并关注材料的荧光特性。
这种实验可以提供关于材料能带、激子等性质的信息。
光致发光的光谱
620.3
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
上发光中心的能级结构示意图
E03 E02 E01
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 的强度很低，常常被看作是一种例外情况，没有实用价值。
5
2 发光和猝灭
并不是激发能量全部都要经过传输，能量传输也不会 无限的延续下去。激发的离子处于高能态，它们就不是稳 定的，随时有可能回到基态。在回到基态的过程中，如果 发射出光子，这就是发光。这个过程就叫做发光跃迁或辐 射跃迁。如果离子在回到基态时不发射光子，而将激发能 散发为热（晶格振动），这就称为无辐射跃迁或猝灭。
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。
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
3
斯托克斯发光和反斯托克斯 发光
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
发光材料的发射光谱，指的是发出光的能量按波长 或频率的分布，许多发光材料的发射光谱是连续的宽带 谱。
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。
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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。
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）
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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，又称发光荧光现象，是指某些物质在受到特定范围的电磁辐射，特别是紫外光的照射感应后，产生幅度很大的光谱，叫做发光荧光光谱。
它是一种较新的光谱学，是一种主要应用于分子尺度上的光谱技术，是由发射光谱和吸收光谱组成。
发射光谱是物质在受到特定范围的电磁辐射照射后，将其能量发射出去，产生的一组突出的发光信号，而吸收光谱则是在物质受到辐射的照射后，将辐射能量转换成其他能量，如热量、振动、化学反应等，给出的吸收现象。
光致发光光谱分为线谱和频谱，其中线谱是指受到电磁辐射照射后物质可能出现的光谱线；而频谱则是受照射后物质可能出现的频率。
由于受到辐射照射，物质中的分子会发生跃迁，能量会从低能量态跃迁至高能量态，每一次跃迁都会带来一个特定的光谱线或信号，而且每一条光谱线或信号的频率多采用“h（6.556×10的-27）v”的公式来表示。
光致发光光谱具有很多优点，主要有：1、它可以用来研究物质的结构和性质，可以更加准确地了解物质组成段落；2、它可以用来检测物质中含量较小的元素，可以达到检测纳米量的精度；3、它可以有效地检测气体，可以检测混合气体中的组成及比例；4、它还可以有效地检测生物分子中的结构，这项技术在很多应用场合（如医药、材料等）具有重要的意义；5、光致发光光谱的检测过程不损伤样品，同时它可以很快地给出结果。
光致发光光谱已在化学、材料学、生物医学和环境科学中得到广泛应用。
在化学领域，光致发光光谱用于研究物质的组成结构，可以检测各种元素及其分子结构。
在材料学方面，光致发光光谱主要用于对聚合物和其他有机材料的结构组成，以及聚合物材料的性质，如热稳定性和表面电性等的研究。
在生物医学领域，光致发光光谱可以用来检测生物体内的各种分子，如蛋白质、糖蛋白、基因表达谱等。
此外，光致发光光谱也可以用于环境科学研究，它可以用来检测空气中的污染物，如硫化物和氨气等，从而为环境保护贡献力量。
从上面可以看出，光致发光光谱具有许多优点和广泛的应用，它不仅可以用于科学研究，也可以用于工程实践和环境检测等领域。
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。
光致发光光谱吸收峰
光致发光光谱吸收峰一、什么是荧光致发光光谱吸收峰荧光致发光(Photoluminescence，简称PL)光谱吸收峰，是可将所收光转化为发光能量的材料特性，与发射光谱中特定波长处的振幅相联系，要求波长吸收峰必须具有可见的吸收能量范围。
吸收峰的宽度和高度受吸收能量的分布、发射的化学温度和其他多种因素影响。
二、荧光致发光光谱吸收峰的应用1. 在能源材料笔头阅读器中：较廉价而又有效的光谱吸收峰是以便准确地阅读磁条记录的数据，和安全地操作支付系统的关键部件。
2. 在健康监测和检验中：由于荧光致发光光谱吸收峰可检测多种物质，在医学检查器械中可用于测试血液、尿液、唾液和细胞液中的民生安全检测等。
3. 在食品业中：允许食品业的检测机构分析食品中的毒素和其他物质，以便确保食品安全性。
4. 在存储器材料中：荧光致发光光谱吸收峰的应用可以满足不同的存储和识别要求，从而提高数据存储设备的数据容量和性能。
三、荧光致发光光谱吸收峰的优点1. 能量效率高：荧光致发光光谱吸收峰可以有效地将收到的光能量转化为发光能量，确保更高的效率。
2. 光谱范围广：由于吸收峰的特性，可以测量出较广泛的光谱范围，可以满足复杂的应用要求。
3. 准确性高：由于吸收峰的特点，可以精确测量和比较，从而可以提高测量的准确性和提高工作效率。
四、荧光致发光光谱吸收峰的注意事项1. 使用环境：荧光致发光光谱吸收峰的使用环境要求相对较低，一般需要温度和湿度调节在室温常压条件下。
2. 测量精度：由于光谱吸收峰是观察实验中被测物质的光强变化的参比，所以测量精度要求比较高，应当使用高精度的量程和滤波器，确保测量数据的可靠性。
3. 调制参数：合适的调制参数和最佳调制策略可以有效提高荧光致发光光谱吸收峰的测量准确性，有效的调节温度和湿度也可以改善测量结果。
光致发光材料光谱分析
第六章光致发光材料光谱分析概念：当物质受到诸如光照、外加电场或电子束轰击等的激发后，吸收了外界能量，其电子处于激发状态，物质只要不因此而发生化学变化，当外界激发停止以后，处于激发状态的电子总要跃迁回到基态。
在这个过程中，一部分多余能量通过光或热的形式释放出来。
如果这部分能量是以光的电磁波形式发射出来，就称为发光现象。
概括地说，发光就是物质内部以某种方式吸收能量以后，以热辐射以外的光辐射形式发射出多余的能量的过程。
用光激发材料而产生的发光现象，称为光致发光。
日常生活中常见的如日光灯和夜明像章的发光就是光致发光。
一只日光灯，接通电源以后，首先使灯管中的水银蒸汽发出紫外光（这叫做气体发光），然后紫外光激发灯管管壁上的荧光粉，从而发出可见光。
夜明像章之所以能在晚上闪闪发光，是因为像章上涂了一层所谓长余辉的发光材料。
当日光或灯光中的短波光照射这种像章的时候，像章上的长余辉发光材料吸收了激发光的能量并储存起来，然后慢慢地发出光来，这种发光可以持续几个小时。
紫外线和红外线虽然看不见，但我们也把他们归结为光。
因此，光致发光是指激发波长落在从紫外到近红外这个范围内的发光。
下面介绍光致发光的主要特征和一般规律。
一. 吸收光谱当光照射到发光材料上时，一部分被反射、散射，一部分透射，剩下的被吸收。
只有被吸收的这部分光才对发光起作用。
但是也不是所有被吸收的光的各个波长都能起激发作用。
研究哪些波长被吸收，吸收多少，显然是重要的。
发光材料对光的吸收，和一般物质一样，都遵循以下的规律，即：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。
kλ随波长（或频率）的变化，叫作吸收光谱。
发光材料的吸收光谱，首先决定于基质，而激活剂和其他杂质也起一定的作用，它们可以产生吸收带或吸收线。
二.反射光谱如果材料是一块单晶，经过适当的加工（如切割、抛光等），利用分光光度计并考虑到反射的损失，就可以测得吸收光谱。
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。
第三代半导体的光致发光光谱测量
第三代半导体的光致发光光谱测量在当今科技迅猛发展的世界中，半导体技术一直处于飞速的进步和突破之中。
尤其是第三代半导体，作为半导体领域的新生力量，其在光电子学、光通信、能源领域等方面展现出了巨大的应用前景。
其中，光致发光光谱测量作为第三代半导体研究和应用中的重要手段之一，对于研究半导体材料的发光特性、电子结构等方面起着重要作用。
本文将就第三代半导体的光致发光光谱测量进行探究和分析，以期为读者提供全面、深入的了解和认识。
一、光致发光光谱测量的基本原理1. 光致发光光谱测量是通过外加光激发样品，使其处于激子态或电子激发态，然后测量样品在激发态返回基态时所发射出的光子能量和强度，从而获得样品的光致发光光谱信息。
2. 光致发光光谱测量主要包括时间分辨光致发光谱和能量分辨光致发光谱两种类型，通过这两种测量手段可以获得不同的半导体材料的发光特性和结构信息。
3. 光致发光光谱测量常用的激光器包括脉冲激光器和连续激光器，这些激光器的选择和调节对于光致发光光谱测量的准确性和可靠性具有重要影响。
二、第三代半导体在光致发光光谱测量中的应用1. 第三代半导体材料如氮化镓、碳化硅等具有直接能隙结构，因此在光致发光光谱测量中表现出良好的发光性能和宽广的光谱范围。
2. 通过光致发光光谱测量可以研究第三代半导体材料的能带结构、电子态密度、载流子寿命等重要参数，为其在光电子学和光学器件中的应用提供重要参考。
3. 第三代半导体材料的光致发光光谱测量也为其在发光器件、光伏器件、激光器件等方面的研究和开发提供了有力的手段和支撑。
三、个人观点与总结光致发光光谱测量作为研究半导体材料发光特性和电子结构的重要手段，在第三代半导体领域具有重要的应用和意义。
通过光致发光光谱测量可以深入了解半导体材料的发光机制、载流子动力学、材料缺陷等重要信息，为新型半导体材料的研究、开发和应用提供了重要的支撑。
随着第三代半导体领域的不断进步和发展，光致发光光谱测量将在更多的领域发挥出重要作用，为半导体技术的发展做出更大的贡献。
第三代半导体的光致发光光谱测量
第三代半导体的光致发光光谱测量光致发光光谱测量（Photoluminescence Spectroscopy，简称PL），是一种常用的实验手段，用于研究材料的光电性能。
随着纳米技术和半导体材料的发展，第三代半导体材料作为一种新兴材料备受关注。
本文将介绍第三代半导体材料的光致发光光谱测量方法及应用。
一、第三代半导体材料的概述第三代半导体材料是指那些相较于传统半导体具有更好性能的新型材料。
常见的第三代半导体材料包括有机半导体材料、有机无机杂化材料以及低维半导体材料等。
这些材料具有较高的载流子迁移率、较高的光电转换效率和更宽的光学吸收范围等特点，被广泛应用于光电器件、光催化等领域。
二、PL测量方法的原理光致发光光谱测量是通过照射样品后，通过测量材料在可见光范围内的发光强度和能量分布来研究材料的光学性质。
具体操作中，首先需要将样品暴露于激光或LED光源的照射下，激发样品中的载流子，随后通过荧光探测器收集样品的发光信号。
最后，利用光谱仪分析并记录样品的发光强度和发光能量分布。
通过对光谱特征的研究，可以详细了解材料的光致发光机制和能带结构。
三、PL测量的实验步骤PL测量的实验步骤通常包括样品的制备、光源和荧光探测器的选择、实验条件的调节以及数据的采集和分析等几个方面。
1. 样品的制备样品的制备是PL测量的基础。
通常要求样品具有一定的光学质量和纯度，以保证测量结果的准确性。
制备过程主要包括样品的切割、抛光和清洗等步骤，确保样品表面光洁度和无杂质。
2. 光源和荧光探测器的选择在PL测量中，合适的光源和荧光探测器的选择对于实验结果的准确性至关重要。
光源可以选择激光或LED，其波长和功率应根据样品的特性和实验需求进行调节。
荧光探测器应具有高增益、低噪声和高灵敏度等特点，以保证测量信号的清晰和稳定。
3. 实验条件的调节PL测量时，实验条件的调节对测量结果也有一定的影响。
常用的实验参数包括激发光功率、激发光波长、测量温度和样品的加工状态等。
光致发光光谱 缺陷
光致发光光谱缺陷
光致发光光谱是研究材料光学性质的重要手段之一。
在材料中加入缺陷能够显著地改变其光致发光光谱行为，因此在材料科学研究中，缺陷的研究也变得越来越重要。
例如，在某些材料中，缺陷的能级可以作为电子传输的有效载体，因此在太阳能电池和光电器件中得到广泛应用。
此外，一些缺陷还可以作为光催化剂和光催化剂协同剂，用于制备高效的光催化材料。
研究表明，不同的缺陷类型和浓度可以显著影响材料的光致发光光谱。
例如，在碳化硅材料中，不同类型的SiC缺陷对光致发光光谱的影响明显不同。
在一些情况下，缺陷还可能导致光致发光强度的降低或增强。
因此，深入理解缺陷对材料光学性质的影响，对于材料的性能优化具有重要意义。
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Intensity/a.u.
5000 4000 3000 2000 1000 0
60 40 20 0
-1000 550 600 650 wavelength/nm 700 750
/nm
图6-9 CaS:Eu,Sm的红外响应光谱和红外转换发射光谱波长比较
5
2 发光和猝灭
并不是激发能量全部都要经过传输，能量传输也不会 无限的延续下去。激发的离子处于高能态，它们就不是稳 定的，随时有可能回到基态。在回到基态的过程中，如果 发射出光子，这就是发光。这个过程就叫做发光跃迁或辐 射跃迁。如果离子在回到基态时不发射光子，而将激发能 散发为热（晶格振动），这就称为无辐射跃迁或猝灭。 激发的离子是发射光子，还是发生无辐射跃迁，或者 是将激发能量传递给别的离子，这几种过程都有一定的几 率，决定于离子周围的情况（如近邻离子的种类、位置 等）。
8
50
Intensity/a.u.
643.3
+
40 30 20 10 0 630
2 1
1-Excited by 270nm 642.6 2-Excited by 470nm
Intensity/a.u.
+
30 25 20 15 10 5 0 200
470.3
268.3
620.3
640 /nm
650
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
3
斯托克斯发光和反斯托克斯 发光
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
发光材料的发射光谱，指的是发出光的能量按波长 或频率的分布，许多发光材料的发射光谱是连续的宽带 谱。 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，Evo是在峰值频率u0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。
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
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 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，反斯托克斯发光只 有理论上的意义。
11
100 80
7000 6000
632
Intensity/a.u.
800 1000 1200 1400 1600
6
3 猝灭中心
对于由激发而产生的电子和空穴，它们也不是稳定的， 最终将会复合。不过在复合以前有可能经历复杂的过程。 一般而言，电子和空穴总是通过某种特定的中心而实 现复合的。如果复合后发射出光子，这种中心就是发光中 心（它们可以是组成基质的离子、离子团或有意掺入的激 活剂）。有些复合中心将电子和空穴复合的能量转变为热 而不发射光子，这样的中心就叫做猝灭中心。 发光和猝灭在发光材料中互相独立互相竞争的两种过 程。猝灭占优势时，发光就弱，效率也低。反之，发光就 强，效率也高。
发光光谱是怎样形成的呢？
发光体吸收外界的能量以后，经过传输、转换等一 系列过程，最后以光的形式发射出来。光的发射对应着 电子在某些能级之间的跃迁。如果所涉及的能级是属于 一定的离子、离子团或分子时，这种离子、离子团或分 子就称为发光中心。 发光中心的结构决定发射光谱的形成。因此，不同的 发光谱带，是来源于不同的发光中心，因此又具有不同的 性能。 有一些材料的发光谱带比较窄，并且在低温下（液氮 或液氦温度下）显现出结构，即分解成许多谱线。还有一 些材料在室温下的发射光谱就是线状谱。
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。
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。
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
பைடு நூலகம்
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
2
50
Intensity/a.u.
643.3
+
100 90 80
Intensity/a.u.
507.7 3+
4
40 30 20 10 0 630
1-Excited by 270nm 2-Excited by 470nm 2 642.6 + 1
70 60 50 40 30 20 10 0 450
2 5 6 1 7 8