光谱分析-光吸收

1、固体物理实验方法，固体物理：从宏观角度理解固体的各种物理特性，并阐明其规律性。重要基础领域，研究方法：理论实验，研究对象：金属、无机半导体、无机绝缘体(介电)、非晶固体、有机固体、准晶等，研究内容：结构、晶格动力学、电子状态、杂质和缺陷，各种物理特性结构分析：基本方法：根据衍射，衍射图像分析结构信息，最常用的方法：XRD，布拉格方程：身体特性，表面结构特性？低能电子衍射(LEED)，内部结构特性？高分辨率电子显微镜HRTEM，2，显微镜分析：形状，相分布，晶体缺陷等，低比例：各种光学显微镜，高比例：TEM，SEM，AFM，3。成分分析、x射线荧光分析、原子吸收光谱、x射线光电光谱分析、电子探针

2、等，4 .物性测量一般(室温、区块)、极端条件(小、高温、高压、超磁场等)、光学特性：吸收系数3354吸收光谱(分光光度计)荧光3354发射光谱(荧光光谱仪和瞬态/时间分解荧光光谱仪)，光谱分析，第一，紫外线-可见-红外光谱，光照射任何固体就可以反射、吸收或通过，通常吸收率a、反射率r和透射率t表示它们之间的关系。光在固体中传播，强度衰减，遵循指数衰减度，光在固体中传播d距离后亮度的变化是：a是吸收系数。吸收系数a和吸收系数k都表示物质的吸收，其关系如下：吸收系数a与频率相关，a与频率相关，a与吸收光谱、朗伯定律、(1)基本原理、光波在吸收介质中传播的理论基础是麦克斯韦方程。仅涉及电中性介质时

3、，电场强度矢量e的方程为 0: 0自由空间的介电常数和磁导率、:介质的相对介电常数和磁导率等。磁场矢量h可以得到类似的方程。如果光能写出在吸收介质中传递的经典描述，e或h的一个分量的解，那么这个解就满足了方程。如果条件满足，其中v=c/N，c是真空中的光速，N是介质的双折射指数，N2=c=r-I i，c是介质的复是电函数，r和i分别是实际部分和虚拟部分。在自由空间中，考虑n=1、=1、=1、=0，在介质中，复合折射率n可以表示为：n:一般意义上的折射率，k:吸收系数。这个表达式是表示/2的频率的波，以c/n的速度传播，衰减或吸收。电磁场的能量流是用玻璃打印矢量表示的，与电场和磁场矢量振幅的乘积

4、成正比，两者都有exp(-kx/c)项，因此介质的吸收系数是：均匀介质的光吸收额和吸收体厚度的关系遵循ronber定律，该定律是用分光光度计表示的固体光谱，当光进入平行透明片时，在片内产生多个反射，在某些波长处发生相长或相干涉。进行透射光谱测量后，会产生一系列条纹(薄膜干涉)，从而更准确地获得折射率。如果胶片有吸收，条纹的衬里会减少或消失。光谱透射率以d:板材厚度表示。r:光谱反射率，(其中N2是薄膜的折射率)，薄膜干涉测量光学参数(n，k)，半导体和介质的透射率测量为常规k2R2，因此常识简化如下：在上述类型的实验中，只有略微微弱的材料吸收，即样品的厚度只有1/的几倍，才能分别确定n和k。对

5、于某些具有类似于金属的光学特性的吸收性，要测量偏振光的反射或求出n和k，必须测量相当宽的波段的光谱反射率。光垂直入射时反射波和入射波的振幅比是向上测量的：R，n，k，r，i，:相移，的获取：利用Kramers-Kronig关系测量的R()移位(4.14)表达式，例如，函数的真实和虚拟部分具有一定的相互关系：其中p表示koxi积分主值：进行部分积分后，可用：常识表明，原则上可以通过在整个频率范围内单独测量光谱反射率来确定所有频率的相位角度。根据有限波段测量的光谱反射率数据进行适当的外推，然后使用(4.17)，计算机通过数值积分获得相移角度()，最后对光学常数(基本原理-电子波段之间的光学过渡和光

6、吸收的显微镜说明(见图4-2中的典型紫外线，)分析设备是对一般吸收光谱和反射光谱的分光光度计。分光光电主要由光源、单色仪、样品室和接收记录系统等组成。图4-2一般紫外线、可见单光束和双光束分光光度计的光学系统(a)双光束分光光度计、紫外线和可见光谱仪一般设计为不在光路中使用镜头，主要使用反射镜防止仪器引起的吸收误差；如果光路径不可避免地包含透明组件，则必须选择对紫外线和可见光都透明的材质。仪器的进展主要集中在光电倍增管、探测器和光栅的改进上，提供仪器的分辨率、准确度和扫描速度，以尽量减少杂光干扰。装置配置计算机操作，软件界面更方便。实验获得的光谱反射率r和光谱透射率t和实验厚度d计算和光谱长度

7、(或光子能量e，频率)的关系曲线为晶体吸收光谱的吸收系数的值。3 .实验方法3.1吸收光谱法测定了晶体的吸收光谱，根据(4.9)和(4.10)的透射光谱，一般将样品加工成平行板，厚度约为吸收系数大小的1/的几倍。在基本吸收区，吸收系数很高，样品必须薄到几十微米或几微米的两级。如此薄的样品不能通过一般加工过程轻易获得，因此很多样品是通过沉积薄膜获得的。但是，这样做具有基板影响，例如无法轻松移除的应力。此外，非常薄的材料的光学常数随取样厚度的变化很大，从而失去了大材料的特性。吸水性强，光学特性与金属相似，电介质和其他材料的透射光谱不合适，应改为反射光谱方法。如果晶体是各向异性材料，则必须用偏振测量

8、，在光路中插入偏振板，以使光的电场方向分别通过平行或垂直晶体轴测量吸收光谱。图4-1吸收光谱实验装置图，测量固体材料吸收光谱装置示例，光源、接收器、样品、入射狭缝、发射狭缝、反射、镜像、3.2反射光谱测量对应规则(镜像反射)反射光谱测量，大多数分光光度计具有固定角度和可变角度反射附件类型。图4-2反射光谱附件(a)固定角度反射附件，图4-3反射光谱附件(b)可变角度反射附件，常规反射率测量：相对反射率测量。选择高反射率的示例之一，如电镀铝面镜子，作为标准(100%)。测量的光谱反射率进行补偿计算，以获得绝对光谱反射率。图4-4反射光谱附件(c)绝对反射率测量附件，绝对光谱反射率测量：V-W型装

9、置。使用一组链接，光线从镜像M1(位置1)反射，或者在采样和镜像M2(与镜像M1相同)上生成两个反射，这两个位置反射的光束强度的百分比提供给R2。r:镜像的反射率，r:采样反射率，I1=I0R I2=I0r2R。，垂直入射：一般入射角度10。样品表面质量对反射光谱测量的影响：机械抛光过程中对样品表面的某些损伤、材料表面层光学特性的变化、光谱反射率的降低、峰值位移、各向异性生成、典型光波波长越短，反射波段形状的变化越明显，对表面结构非常敏感的退刀反射波段可能完全消失。样品经过光学抛光后，为了获得完整的表面，还必须化学腐蚀合适的化学蚀刻零样品表面。有些样品容易早泄或氧化，甚至吸附一层外来分子也会影

10、响测量结果。3.3调制反射光谱调制反射光谱：电场、磁场、温度或压力等场作用下反射率的变化R光谱。调制反射光谱大小：R/R ，固体光学特性的说明：调制参数对光学特性的影响可能表现为复素数函数的实际和虚拟部分的变化。也就是说，样式的系数和对不同类型的调制反射采取相同的形式。也就是说，样式：系数和是光子能量的函数，对符号和大小不同的光谱区域的调制反射光谱的分析结果有一定的影响，而 和I的线性可以根据调制参数有不同的形式。仅在电子能带结构的临界点区域响应较大，具体形式与临界点类型和在布里渊区域的位置有关。调制光谱分类：一阶导数光谱(温度、压力和波长调制)三阶导数光谱(电调制)、图4-5调制光谱的两种类

11、型、电调制反射光谱：足以检测10-6阶信号的光源要求；可用普通棱镜单色仪；在测量R/R信号时，必须一起测量接口电容，调节直流偏置，保持接口电位不变。图4-6电调制反射光谱装置，图4-7 n Ge的电调制反射光谱，3.4偏振反射光谱：为什么要使用偏振反射光谱？晶体的反射光谱带的清晰度在很大程度上取决于光的入射角和偏振，与光学等向性决定相对应。也就是说，在反射光谱中观察最大对比度结构的条件是(1)入射角接近布鲁斯特角(2)的光的电矢量与入射面平行，并具有吸收的条件下，布鲁斯特角B的大小取决于光学常数n和k。在N2，k1(半导体吸收边条件)条件下，n=3，k=0.6时，B=72.5，k值增加时，B也

12、相应增加，k值大时，B接近90，但不等于90。椭圆偏振反射光谱：分析样品表面光反射中偏振状态变化的光谱分布。反射光的电矢量表示材料的光学特性，与入射面和垂直入射面两个分量的振幅比和相移差。可以同时测量光学常数n和k。图4-8椭圆偏振反射光谱装置1。单色仪，2。凹版镜子，3.5。7.9 .光条，4。偏压器，6 .样品站，8 .偏压器，9 .光电倍增，10。放大显示系统，(4) 4.1。应用半导体频带宽度的半导体材料决定的重要参数之一是频带宽度Eg，其大小和转换特性对电输运过程至关重要，对光学和电特性也很重要。对应于半导体基本光吸收的长波吸收限制的光子能量称为光学带隙宽度。通过吸收光谱测量吸收光谱

13、曲线，可以利用吸收系数的频率关系确定Eg的准确值。如果吸收系数的频率关系满足(h-Eg)1/2关系，则d2和h的线关系容易确定Eg。由垂直转移对应的d2的延长线和h轴的交点确定。如果存在带间间接光学转移，则可以使用该关系确定带隙宽度和参与该作用的声子的能量。方法：在不同温度下测量吸收系数，建立alpha i1/2对h 的关系曲线。每条曲线可以分为两条直线：alpha i1/2和(alpha ia alpha ie)1/2。H轴上两条直线(或延长线)的终止点决定了2 h 的值。两部分的平均值决定了Eg值。利用吸收系数的频率关系、温度关系和吸收系统的供求等三个方面的光谱差异，原则上可以确定本吸收边

14、的光学转移特性。4.2 .激子光谱的观察激子状态实际上是由于静电库仑吸力，电子和腔的耦合对，所需的激发能量小于带宽Eg。在绝缘晶体和半导体的光吸收过程中，入射光子能量略低于带隙(Eg)时，可能会产生与激子转移相对应的光谱结构。激子光谱可以用吸收光谱或反射光谱观察，但大部分必须在低温下进行。通过研究晶体的激子光谱，除了激子状态能量外，还可以了解电子能带结构和晶体管在晶体中传递能量的作用、激子和声子、杂质的相互作用等。4.3电子波段结构研究可以结合基本反射光谱方法，特别是以后开发的调制反射光谱方法，正确研究电子波段结构。一般方法：遗传函数虚拟i()通过测量的反射谱获得，并与能量带计算得到的i()进

15、行比较分析后，确定了电子的能量带结构。这些工作需要综合分析，充分利用电调制光谱、压力和温度对光谱的影响的实验结果和光电发射的数据，获得更稳定的结果。4.4纳米材料和纳米结构的光吸收特性(a)。宽带强吸收(b)。蓝色移动和红色移动现象量子限制效果：蓝色移动曲面效果：红色移动(c)。量子限制效应激子带的吸收系数随粒度的减小而增加。即，激子强化吸收和蓝色移动，固体物质的光学过程，图4-3-2，各种固体物质的吸收光谱，特定情况的数千种差异，半导体吸收光谱的典型例子：位于紫外线可见光区域或扩展到近红外区域。由电子从价带到导带的强吸收区。电子吸收光子后，由价带转换为导向的过程称为固有吸收。转换过程会产生可

16、转换的电子和孔。在吸收带的高能量端，吸收系数在低能量端缓慢下降，吸收系数下降得很快(在电子螺栓的十分之一处，吸收系数下降了6个步骤)。在基本吸收区域的低能量端，此边界称为吸收边。吸收边的限制对应于电子转换时经过的最小能量间隔，即Eg(禁止频带宽度)。2.1固有吸收，图4-3-2，仅当光子能带宽度被禁止时，才能发生固有吸收。电子是以价格为导向的带转移，必须满足准动量守恒，即吸收光子前电子的波矢量，吸收光子后电子的波矢量的选择规则。光子的动量相对于电子的动量可能被忽略，所以动量选择是：满足此动量选择规律的(保持波的数量(准动量)恒定的转移是直接转移，me-电子有效质量，MH-孔的有效质量，k=0的吸收系数：允许的直接转移不是k=0，k0的情况下)，光子不能改变电子的动量状态，电子在声子的帮助下可以间接转移。这种间接转移称为声子辅助转移。在