一種半導(dǎo)體材料能隙中間態(tài)能級的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于納秒時間分辨光譜測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種半導(dǎo)體材料能隙中間 態(tài)能級的測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 二氧化鈦被認(rèn)為是光催化和太陽能轉(zhuǎn)換最好的材料之一。但是，由于二氧化鈦的 帶隙較寬，二氧化鈦吸收只在紫外線的范圍內(nèi)，占總太陽光的3-5%，在太陽光譜區(qū)域的光 轉(zhuǎn)換效率很低。因此，把二氧化鈦吸收延伸到可見光范圍是一種提高光轉(zhuǎn)換效率的有效手 段。在二氧化鈦中引入缺陷態(tài)，不僅可以減少電子空穴復(fù)合的幾率，還能改變能隙寬度，使 二氧化鈦在太陽光譜區(qū)擁有高活性。因此，確定缺陷態(tài)在能隙中的分布是光催化研宄中十 分重要的問題。
[0003] 電子順磁共振（EPR)可以表征在二氧化鈦中的束縛態(tài)電子（Ti3+)和束縛態(tài)空穴 (〇_，〇2_)，但是EPR技術(shù)并不能檢測在導(dǎo)帶中的離域電子，因此不能被用來確定束縛態(tài)和導(dǎo) 帶的躍迀能級；光譜學(xué)已被廣泛用于檢測導(dǎo)帶電子，束縛態(tài)的電子、空穴和躍迀能級，但是 當(dāng)前的光譜學(xué)實驗方法不能提供束縛態(tài)有關(guān)的初態(tài)和終態(tài)的位置的信息，而只能確定初態(tài) 和終態(tài)之間的能量差。因此，迫切需要一種半導(dǎo)體材料能隙中間態(tài)能級的測量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種半導(dǎo)體材料能隙中 間態(tài)能級的測量方法，包括如下步驟：
[0005] 步驟一：采集所述半導(dǎo)體材料在不同激發(fā)波長下的動力學(xué)數(shù)據(jù)，并區(qū)分導(dǎo)帶電子 和束縛態(tài)電子的動力學(xué)；
[0006] 步驟二：將所述動力學(xué)數(shù)據(jù)取脈沖激發(fā)之后的同一時間的值作圖，得到所述半導(dǎo) 體材料的禁帶激發(fā)掃描光譜；
[0007] 步驟三：根據(jù)所述動力學(xué)數(shù)據(jù)、所述導(dǎo)帶電子和束縛態(tài)電子的動力學(xué)以及所述禁 帶激發(fā)掃描光譜，確定所述半導(dǎo)體材料的費米能級；
[0008] 步驟四：根據(jù)所述費米能級和所述禁帶激發(fā)掃描光譜表征所述半導(dǎo)體材料的束縛 態(tài)；
[0009] 步驟五：根據(jù)所述半導(dǎo)體材料的束縛態(tài)繪出所述半導(dǎo)體材料的帶隙中間態(tài)能級 圖。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的測量方法，優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體材料為銳鈦礦型二氧化鈦或金紅石 型二氧化鈦。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的測量方法，優(yōu)選地，在步驟一中，使用時間分辨瞬態(tài)紅外吸收動力學(xué) 采集裝置采集所述動力學(xué)數(shù)據(jù)。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的測量方法，優(yōu)選地，所述時間分辨瞬態(tài)紅外吸收動力學(xué)采集裝置包 括用于獲得激發(fā)光的激發(fā)光源和用于獲得探測光的探測光源。
[0013] 根據(jù)本發(fā)明的測量方法，優(yōu)選地，所述激發(fā)光源的輸出波長為410nm-2630nm，并且 連續(xù)可調(diào)。
[0014] 根據(jù)本發(fā)明的測量方法，優(yōu)選地，所述探測光源為紅外光源。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的測量方法，優(yōu)選地，所述紅外光源的輸出波長為4.78ym或 6. 25um〇
[0016] 根據(jù)本發(fā)明的測量方法，優(yōu)選地，在步驟三中，通過找到所述動力學(xué)從藍區(qū)到紅區(qū) 的相變點確定所述半導(dǎo)體材料的費米能級。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的測量方法，優(yōu)選地，在步驟四中，表征所述半導(dǎo)體材料的束縛態(tài)包括 表征所述費米能級下方的深束縛態(tài)以及表征所述費米能級上方的淺束縛態(tài)。
[0018] 本發(fā)明能夠確定費米能級的位置并且系統(tǒng)地表征半導(dǎo)體材料的中間態(tài)能級，從而 指導(dǎo)光催化劑的設(shè)計朝著實用化、高效化的方向發(fā)展，最終在人類日常生活里得到普及。
【附圖說明】
[0019] 以下參照附圖對本發(fā)明實施例作進一步說明，其中：
[0020] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的時間分辨瞬態(tài)紅外吸收動力學(xué)采集裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0021] 圖2為根據(jù)本發(fā)明的測量半導(dǎo)體材料能隙中間態(tài)能級的流程圖；
[0022] 圖3為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的激發(fā)波長分別為410nm、500nm、600nm、709nm* 800nm的瞬態(tài)紅外吸收動力學(xué)數(shù)據(jù)；
[0023] 圖4為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的激發(fā)波長分別為1000nm、1100nm、1200nm和 1300nm的瞬態(tài)紅外吸收動力學(xué)數(shù)據(jù)；
[0024] 圖5為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的探測波長為4. 78ym的延遲時間為250ns的銳 鈦礦型Ti02禁帶激發(fā)掃描光譜，其中的小圖為700-1000nm區(qū)域的放大圖；
[0025] 圖6為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的激發(fā)波長為880nm和890nm的瞬態(tài)紅外吸收動 力學(xué)數(shù)據(jù)；
[0026]圖7為根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的銳鈦礦型Ti02禁帶中間能級圖；
[0027] 圖8為根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的探測波長為6. 25ym的延遲時間250ns的銳鈦 礦型Ti02禁帶激發(fā)掃描光譜；
[0028] 圖9為根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的探測波長為4. 78ym的延遲時間250ns的金紅 石型Ti02禁帶激發(fā)掃描光譜；
[0029] 圖10為根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的金紅石型Ti02禁帶中間能級圖。
【具體實施方式】
[0030] 為了使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過具體實 施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明， 并不用于限定本發(fā)明。
[0031] 在本說明書中，"動力學(xué)數(shù)據(jù)"是指激發(fā)光照射樣品前后，樣品的吸光度的差值 AOD隨時間的變化曲線。其中吸光度OD=lg(入射光強/透射光強）。
[0032] 下面將結(jié)合附圖詳細描述本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
[0033]圖1示出了時間分辨瞬態(tài)紅外吸收動力學(xué)采集裝置，包括：
[0034] 1)激光源1為納秒短脈沖Nd:YAG激光器，優(yōu)選為Spectra-Physics公司的 Quanta-Ray激光器，用于產(chǎn)生波長為355nm的脈沖激光，脈沖重復(fù)頻率為10Hz，單脈沖能量 可達25mJ，脈沖寬度為10ns;
[0035] 2)光學(xué)參量振蕩器2作為激發(fā)源，優(yōu)選為Spectra-Physics公司的 GWUPremiScan-ULD/240,輸入脈沖重復(fù)頻率為10Hz、波長為355nm的激光脈沖，輸出單波長 連續(xù)可調(diào)脈沖激光（信頻光410-709nm，閑頻光710-2630nm)，并且連續(xù)可調(diào)，到達樣品的光 斑直徑4mm;
[0036] 3)濾光片3,用于獲得單一波長的激發(fā)光，不同波長的激發(fā)光用不同的濾光片， 410nm-710nm的激發(fā)光優(yōu)選地用KG5型濾光片，710nm-2300nm的激發(fā)光優(yōu)選地用RG715型 濾光片；
[0037] 4)格蘭棱鏡4,用于調(diào)節(jié)到達后面提到的樣品池處的激發(fā)光能量；
[0038] 5)第一聚焦透鏡5,優(yōu)選地為直徑25. 4mm的氟化鈣透鏡，焦距是300mm，用于將激 發(fā)光聚焦至樣品；
[0039] 6)探測光源6為量子級聯(lián)激光器，優(yōu)選地為DaylightSolutions公司的輸出波長 為4690-4880nm的TCL-11088型激光器，輸出4780nm的連續(xù)激光，到達樣品的光斑直徑約 1_，用于探測被激發(fā)的樣品中的光生載流子；
[0040] 7)線柵7,用于調(diào)節(jié)到達后面提到的樣品池處的探測光能量；
[0041] 8)第二聚焦透鏡8,優(yōu)選地為直徑25. 4mm的氟化鈣透鏡，焦距是300mm，用于將探 測光聚焦至樣品；
[0042] 9)樣品池9為真空反應(yīng)器，優(yōu)選地由不銹鋼制成，所有接□都是規(guī)格為CF70 (70mm 外徑）的法蘭連接件。兩個觀察窗為0.1英寸厚的〇&匕窗，這個樣品池的真空度可達 106mbar；
[0043] 10)信號采集系統(tǒng)10,包括探測器、前置放大器、低通濾波器、示波器和電腦，經(jīng)過 樣品池9的探測光進入液氮冷卻的碲鎘汞探測器，輸出的電流信號經(jīng)過一個DC-lOOMHz的 前置放大器放大，然后經(jīng)過0-100MHZ低通濾波器的濾波輸入到數(shù)字示波器中，之后采用 labview數(shù)據(jù)采集軟件實現(xiàn)納秒-秒量級的數(shù)據(jù)采集進入電腦中進行數(shù)據(jù)