紫外可见分光光度计测量ZnO的光学禁带宽度
【实验目的】
1）了解紫外课件分光光度计的结构和测试原理； 2）理解半导体材料对入射光子的吸收特性； 3）掌握测量半导体材料的光学禁带宽度的方法。 【实验内容】
1）测试半导体光电探测材料的透射光谱； 2）分析半导体材料的光学禁带宽度。 【实验器材】
紫外-可见光分光光度计一台（岛津uv2600）；ZnO薄膜；空白基片。 【实验原理】
1. 紫外可见分光光度计
当物体受到入射光波照射时，光子会和物体发生相互作用。由于组成物体的分子和分子间的结构不同，使入射光一部分被物体吸收，一部分被物体反射，还有一部分穿透物体而继续传播，即透射。
为了表示入射光透过材料的程度，通常用入射光通量与透射光通量之比来表征物体的透光性质，称为光透射率。常用的紫外可见分光光度计能精确测量材料的透射率，测试方法具有简单、操作方便、精度高等突出优点，是研究半导体能带结构及其它性质的最基本、最普遍的光学方法之一。 紫外可见分光光度计通常由五部分组成：
1）光源：通常采用钨灯或碘钨灯产生340nm到2500nm的光，氘灯产生160-375nm的紫外光。
2）单色器：单色器将光源辐射的复色光分解成用于测试的单色光。通常包括入射狭缝、准光器、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等组成。色散元件可以是棱镜，也可以是光栅。光栅具有分辨本领高等优点被广泛使用。
3）吸收池：用于盛放分析试样，有紫外、玻璃和塑料几类。测试材料散射时可以使用积分球附件；测试固体样品的透射率等可以使用固体样品支架附件。 4）检测器：检测器的功能是检测信号、测量透射光的器件。常用的有硅光电池和光电倍增管等。光电倍增管的灵敏度比一般的硅光电池高约200倍。 5）数据系统：多采用软件对信号放大和采集，并对保存和处理数据等。 2. 禁带宽度
对于包括半导体在内的晶体，其中的电子既不同于真空中的自由电子，也不同于孤立原子中的电子。真空中的自由电子具有连续的能量状态，原子中的电子是处于分离的能级状态，而晶体中的电子是处于所谓能带状态。能带是由许多能级组成的，能带与能带之间隔离着禁带，电子就分布在能带中的能级上，禁带是不存在公有化运动状态的能量范围。半导体最重要的能带就是价带和导带。导带底与价带顶之间的能量差即称为禁带宽度（或者称为带隙、能隙）。 禁带中虽然不存在属于整个晶体所有的公有化电子的能级，但是可以出现杂质、缺陷等非公有化状态的能级—束缚能级。例如施主能级、受主能级、复合中心能级、陷阱中心能级、激子能级等。
禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，用于表征半导体材料物理特性。其涵义有如下四个方面： 第一，禁带宽度表示晶体中的公有化电子所不能具有的能量范围。第二，禁带宽度表示价键束缚的强弱。当价带中的电子吸收一定的能量后跃迁到导带，产生出自由电子和空穴，才能够导电。因此，禁带宽度的大小实际上是反映了价带中电子被束缚强弱程度的物理量。价电子由价带跃迁到导带的过程称为本征激发。本征激发根据价电子获取能量的方式可以分为热激发、光学激发和电离激发等。第三，禁带宽度表示电子与空穴的势能差。导带底是导带中电子的最低能量，故可以看作为电子的势能。价带顶是价带中空穴的最低能量，故可以看作为空穴的势能。离开导带底和离开价带顶的能量就分别为电子和空穴的动能。第四，虽然禁带宽度是一个标志导电性能好坏的重要参量，但是也不是绝对的。价电子由价带跃迁到导带的几率是温度的指数函数，所以当温度很高时，即使是绝缘体（禁带宽度很大），也可以发生本征激发。 3. 基于透射光谱的光学禁带宽度计算原理
当一定波长的光照射半导体材料时，电子吸收能量后会从低能级跃迁到能量较高的能级。对于本征吸收，电子吸收足够能量后将从价带直接跃迁入导带。发生本征吸收的 条件是：光子的能量必须等于或大于材料的禁带宽度Eg，即
0ghhvE
(1)
而当光子的频率低于0，或波长大于本征吸收的长波限时，不可能发生本征吸收，半导体的光吸收系数迅速下降，这在透射光谱上表现为透射率的迅速增大，即透射光谱上出现吸收边。
光波透过厚度为d的样品时，吸收系数同透射率的关系如式（2）：
(2)
其中d为样品厚度，R是对应波长的反射率，T是对应波长的透射率。
实验中，我们所选样品为ZnO基薄膜材料，入射光垂直照射在样品表面，且
样品表面具有纳米级的平整度，在紫外和可见光波段的反射率很小，所以在估算禁带宽度时，忽略反射率的影响，则吸收系数α可简单表示为：
ln(1/)dT (3)
因此，在已知薄膜厚度的情况下，可以通过不同波长的透射率求得样品的吸收系数。
又，半导体的禁带宽度与半导体材料的禁带宽度满足下列方程：
2
()mghAhE
(4)
2*3/2
2*
(2)eAnchme
(5)
式中，α为吸收系数，hv是光子能量；Eg为材料的禁带宽度；A是材料折射率（n）、折合质量（μ*）和真空中光速（c）的函数，基本是一常数；m是常数，对于直接带隙半导体允许的偶极跃迁，m＝1；对于直接带隙半导体禁戒的偶极跃迁，m＝3；对于间接带隙半导体允许的偶极跃迁，m＝4；对于间接带隙半导体禁戒的偶极跃迁，m＝6。
ZnO薄膜是一种直接带隙半导体，在本征吸收过程中电子发生直接跃迁，因此m取1，则式（5）可以表示为：
22()()ghAhE
(6)
对于禁带宽度的计算，可根据αhv ∝ hv的函数关系作图，将吸收边陡峭的线性部分外推到(αhv)2=0处，与x轴的交点即为相应的禁带宽度值。 【实验步骤】
1）样品准备：将空白基片放在参考位；将ZnO基薄膜样品置于样品位。 2）打开仪器电源，预热20分钟；
3）打开软件，点选“连接”按钮，系统将自检；
4）选择仪器的工作模式为光谱扫描，输入测试波长和狭缝宽度，样品测试选择透射率；
5）点击“自动清零”；
6）将清洗干净的空白基片放在参考位，进行基线扫描； 7）将ZnO基薄膜样品置于样品位，点击“开始”按钮； 8）扫描结束后保存测试样品的透射率数据； 9）实验测量结束，点击“断开”按钮；关闭软件；
10）关闭电源开关，取出测量样品，放入干燥剂，盖上防尘布。 【思考题】
1）从吸收系数随波长的变化如何判断半导体材料的能带结构？ 2）通过什么技术途径可以实现材料的日盲紫外探测？
