半导体材料能带测试及计算

1、半导体材料能带测试及计算对于半导体，是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，其具有一定的带隙（Eg）。通常对半导体材料而言，采用合适的光激发能够激发价带（VB）的电子激发到导带（CB）,产生电子与空穴对。图1.半导体的带隙结构示意图在研究中，结构决定性能，对半导体的能带结构测试十分关键。通过对半导体的结构进行表征，可以通过其电子能带结构对其光电性能进行解析。对于半导体的能带结构进行测试及分析，通常应用的方法有以下几种（如图2）:1 .紫外可见漫反射测试及计算带隙Eg；2 .VBXPS测得价带位置（Ev）;3 .SRPES测得Ef、Ev以及缺陷态位置；4 .通过测试Mott-Schottk

2、y曲线得到平带电势；5 .通过电负性计算得到能带位置.d&=需图2.半导体的带隙结构常见测试方式1 .紫外可见漫反射测试及计算带隙紫外可见漫反射测试2 .制样:背景测试制样：往图3左图所示的样品槽中加入适量的BaSO4粉末（由于BaS。粉末几乎对光没有吸收，可做背景测试），然后用盖玻片将BaSO4粉末压实，使得BaSO4粉末填充整个样品槽，并压成一个平面，不能有凸出和凹陷，否者会影响测试结果。样品测试制样：若样品较多足以填充样品槽，可以直接将样品填充样品槽并用盖玻片压平；若样品测试不够填充样品槽，可与BaSO4粉末混合，制成一系列等质量分数的样品，填充样品槽并用盖玻片压平。图3.紫外可

3、见漫反射测试中的制样过程图1.测试：用积分球进行测试紫外可见漫反射（UV-VisDRS）,采用背景测试样（BaSO4粉末）测试背景基线（选择R%模式），以其为background测试基线，然后将样品放入到样品卡槽中进行测试，得到紫外可见漫反射光谱。测试完一个样品后，重新制样，继续进行测试。测试数据处理数据的处理主要有两种方法：截线法和Taucplot法。截线法的基本原理是认为半导体的带边波长（）决定于禁带宽度Eg。两者之间存在Eg（eV尸hc/g=1240/g（nm）的数量关系，可以通过求取后来得到Eg。由于目前很少用到这种方法，故不做详细介绍，以下主要来介绍Taucplot法。具体操作：1、

4、般通过UV-VisDRS测试可以得到样品在不同波长下的吸收，如图4所示;300400500600700MOWavelength(nm)应)图4.紫外可见漫反射图2 .根据(ahvf=A(hv-Eg),其中a为吸光指数，h为普朗克常数，v为频率，Eg为半导体禁带宽度，A为常数。其中，n与半导体类型相关，直接带隙半导体的n取1/2,间接带隙半导体的n为2。3 .利用UV-VisDRS数据分别求(ahV/n和hv=hc/人,的光速，入为光的波长，所作图如图5所示。所得谱图的纵坐标一般为吸收值Abs,a为吸光系数，两者成正比。通过Taucplot来求Eg时，不论采用Abs还是a,XEEg值无影响，可以

5、直接用A替代的但在论文中应说明。4 .在origin中以(ahJ)n对hv作图，所作图如图5所示ZnIn2s4为直接带隙半导体，n取1/2),将所得到图形中的直线部分外推至横坐标轴，交点即为禁带宽度值。图5.Taucplot图。图6与图7所示是文献中通过测试UV-VisDRS计算相应半导体的带隙Eg的图。Wawiengiihi仲e)cV-A_7454b'飞亳tWMX.MWO-1291W照“_2025303S4石图6.W18O19以及Mo掺杂W18O19(MWO-1)的紫外可见漫反射图和Taucplot图。咖期0M>?WWthH埔Ihfl(-=-JdulMqJIrsl叁更prkll

6、wZISZi图7.ZnIn2S4（ZIS）以及O掺杂ZIS的紫外可见漫反射图和Taucplot图。2. VBXPS测得价带位置（Ev）根据价带X射线光电子能谱（VBXPS）的测试数据作图，将所得到图形在0eV附近的直线部分外推至与水平的延长线相交，交点即为Ev。如图8,根据ZnIn2s4以及O掺杂ZnIn2s4的VBXPS图谱，在0eV附近（2eV和1eV）发现有直线部分进行延长，并将小于0eV的水平部分延长得到的交点即分别为ZnIn2s4以及O掺杂ZnIn2s4的价带位置对应的能量（1.69eV和0.73eV）如图9为TiO”C的VBXPS图谱，同理可得到其价带位置能量（3.09eV）。rt

7、r*tu昌5一Btndinj;Energy|el)图8.ZnIn2s4(ZIS)以及O掺杂ZIS的VBXPS图-20246010121416BindingEnergy(eV)图9.TiO2/CHNTs的VBXPS图。3. SRPES测得Ef、Ev以及缺陷态位置图2.3所示是文献中通过测同步辐射光电子发射光谱（SRPESM算相应半导体的Ef、Ev以及缺陷态位置。图2.3a是通过SRPES测得的价带结构谱图，通过做直线部分外推至与水平的延长线相交，得到价带顶与费米能级的能量差值（Evbm-E。；该谱图在靠近0eV处（费米能级Ef）为缺陷态的结构，如图2.3b所示，取将积分面积一分为二的能量位置定义

8、为缺陷态的位置。图2.3c是测得的二次电子的截止能量谱图，加速能量为39eV,根据计算加速能量与截止能量的差值，即可得到该材料的功函数，进一步得到该材料的费米能级（Ef）。3_;Figure4.structure忆gri工口Lieii*ulandhI't'O1.UINW*nieaKiiredbySRPES.(a)Viluncthaud(VB)spectrx(b)口过ektbandlevtLmFB5Pdetruvci5g£卜juddiedctcriiuDcdcenters(e)Second!irj1electroncutoH(息0山自上(d)SchematiciJJus

9、tmionfortheehctroniii：bandstructuresof科:覃0钟undAIWU-1.UTNWs.图10.W18O19以及Mo掺杂W18O19(MWO-1)的SRPES图以及其带隙结构示意4. 通过测试Mott-Schottky曲线得到平带电势测试方法在一定浓度的Na2SO4溶液中测试Mott-Schottky曲线，具体的测试方法如下：1 .配置一定浓度的Na2SO4溶液；2 .将一定量待测样品分散于一定比例的乙醇与水混合液中，超声分散后，将导电玻璃片浸入（注意控制浸入面积）或将一定量样品滴在一定面积的导电玻璃上，待其干燥后可进行测试（此步骤制样一定要均匀，尽可能薄。样品超

10、声前可先进行研磨，超声时可在乙醇溶液中加入微量乙基纤维素或Nafion溶液）；3 .三电极体系测试，电解液为Na2SO4溶液，参比电极为Ag/AgCl电极，对电极为铝网电极，工作电极为具有待测样品的导电玻璃；4 .在一定电压范围（一般为-11VvsAg/AgCl）进行测试，改变测试的频率（一般为500、1000以及2000Hz）,得到相应的测试曲线。具体的设置界面如图11和图12所示。图11.测试设置界面1。ImpcdainiC?-Pvt?nthBl暄EMEnaiaarawMiInaEMLArvfikideMF|ii"tdJ|口005Jp-Mf(>h!H>Aequeric

11、ylMz11MO匚ebek的10HijiCki«<Iivw(w).p可根据具体情况设置BmsftCCuiiertH_SensiMrA/VJ.Automifc可图12.测试设置界面2。测试数据处理测试的数据转换为txt格式，根据测得的数据可计算半导体材料的平带电势。对于半导体在溶液中形成的空间电荷层（耗尽层），可用以下公式计算其平带电势：斜率为负时对应p型半导体，斜率为正时对应n型半导体。由于电极的电容由双电层电容（Cdl）以及空间电荷电容（Csc）两部分组成，且但是一般Csc<<Cdl,故有C=Csc=,根据txt数据（图13）的第一列（E）和第三列（），分别转换为

12、NHE电位以及Csc=-1/=-1/2冗,做出1/C2-E图即可得到Mott-Schottky曲线，将直线部分外推至横坐标轴，交点即为平带电势。一般对于n型半导体，导带底位置与平带电势一致，可认为平带电势为导带底位置。文明H蛔KR幅式（6n（V）耘匐.ZVohm,ZVohm,2ohm.Pha$e/deg-8.000g-1.7S0Cte-1.-7.000e-L石.500eL-6.000e-1,5500e-L5.000e-L4.500e1,4000e1.-J.500e-LlOOOe-1,-ZSOOe-1.-2000e1.-1500e-1f-LOOOe-L-5.0Me-2.丈686b-a!1986e

13、+1,1982e+1.4977H4.972e+1d4.967e+1dI965e+1,4.965e+L1.97le+l,4983e+Li.002e+l,5.027e+L>057e+1,5.091p+1,5.125P+L5J58e+1,5.18«?+1,N14e+L-k41fe+1-1341e+1-I229e+1-1J29e+1-10J4e*1-9.664?”-9228e+C-9.076e+C-9.1+C9,575e+0L025e+1-I122e+1-1248e+1-1398e+1-1.S66e+l-1.745+15J83e+1r-15.9515猊*1厂15.15J27m1.-13

14、95-099e+L-12.85-074e+1,*11.85.0S8e+i,-11.0S.OSOe+lrI0,S工05如7-1035067e+1,-1Q,45.093e+Ld0.SSJSIe+l.-lLS5J80e+1r-1ZS5241e+1.f-135312e+L1S.5539aL-169R473a*1,1861.925e+1P5558e+L-20.3图13.保存的txt数据-1-2/fi-04OJO0j4。上(VRNgpH=6J8*图14.Mott-Schottky曲线。图15与图16所示是文献中通过测试Mott-Schottky曲线得到半导体的平带电位（导带位置Ev）0如图15,根据Co9

15、S8和ZnIn2s4的Mott-Schottky曲线图，可以得到CO9S8和ZnIn2s4的平带电位分别为-0.75eV和-0.95eV,由于斜率为正时对应n型半导体，CO9S8和ZnIn2s4均为n型半导体，可以认为其导带位置为-0.75eV和-0.95eV。如图16为P-In2O3和C-In2O3的Mott-Schottky曲线图，同理可得到其平带位置。FigiirtS23,MuCl-ScIkrtikjufIa)Cum-SkaifeJ(b)ZnliizSi.图15.CO9S8和ZnIn2S4的Mott-Schottky曲线图。图16.P-In2O3和C-In2O3的Mott-Schottk

16、y曲线图。5.通过计算得到能带位置对于纯的单一半导体，可根据测得的禁带宽度（0.5Eg）来计算其导带和价带位置：价带：Evb=X-Ee+0.5Eg导带：Ecb=X-Ee-0.5Eg其中，X为半导体各元素的电负性的几何平均值计算的半导体的电负性，Ee为自由电子在氢标电位下的能量。值得注意的是，在半导体存在缺陷或者与其它材料复合时，实际的带隙结构计算可能存在偏差，一般通过前面提到的测试方法与该计算结合使用，得到比较合理的测试结果。6.附录（常用半导体能带结构）附件下载地址：https:/pan.baidu.Com/s/1GRenMLRQxUXmOPOiPXDikA提取码：pvs9参考文献：1 S.

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