六章-低维和无序体系光谱课件.ppt

1、第六章第六章 低维和无序体系光谱低维和无序体系光谱v超晶格的吸收与发射光谱超晶格的吸收与发射光谱v一维和零维体系光谱一维和零维体系光谱v非晶体系的吸收光谱非晶体系的吸收光谱v非晶体系的发光光谱非晶体系的发光光谱低维体系：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围低维体系：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围 （aB，Rae，RahehEnMmmnM R222*()(,1,2,3,.)2 体系能量主要由库仑作体系能量主要由库仑作用决定，量子限域作用用决定，量子限域作用表现为蓝移效应表现为蓝移效应ehEnnnmRmRmR222222222*()()()222体系能量主要由量子限体系能量主要由量子

2、限域作用（附加能大）决域作用（附加能大）决定，库仑作用看成微扰定，库仑作用看成微扰eheEnnnmRmRmR222222222*()()()222e 和和 h 尺寸限域效应不同，尺寸限域效应不同，h在强限域的在强限域的e中运动，中运动，之间发生库仑作用之间发生库仑作用强限域效应：强限域效应：Rae，Rah常见情况：常见情况：Rah CdS激子能量随着晶粒尺寸的激子能量随着晶粒尺寸的变化，表现为蓝移变化，表现为蓝移一维和零维体系态密度一维和零维体系态密度一维体系：一维体系：Nz(E-Eg)-1/2，Nx,y 为为 函数，函数，故为须状曲线，光谱为分离谱线故为须状曲线，光谱为分离谱线XYZ零维体系

3、：零维体系：Nx,y,z 为为 函数，函数，故为线状结构，光谱为更窄的线谱故为线状结构，光谱为更窄的线谱一维和零维体系光谱一维和零维体系光谱镶嵌在硅酸盐玻璃中的纳米颗镶嵌在硅酸盐玻璃中的纳米颗粒在粒在4.2K的激子吸收谱的激子吸收谱1:31nm2:2.9nm3:2.0nm1:24nm2:3.6nm3:2.3nm1:33nm2:2.3nm3:1.2nmCuCl纳晶吸收光谱的峰值纳晶吸收光谱的峰值能量与晶粒尺寸的关系能量与晶粒尺寸的关系由于晶粒尺寸有一定分布，故为带谱由于晶粒尺寸有一定分布，故为带谱222()2gbEEnM R 弱限域效应弱限域效应强限域效应强限域效应222201.8()24geE

4、nM RR v非晶体系的吸收光谱非晶体系的吸收光谱非晶固体的能带结构非晶固体的能带结构微晶微晶无规网络无规网络无定型材料的两种结构模型无定型材料的两种结构模型掺杂和无序引起的带掺杂和无序引起的带边的演化边的演化(a)完整晶体完整晶体;(b)只有只有一个局域不完整性的一个局域不完整性的晶体晶体;(c)具有低浓度具有低浓度局域不完整性的晶局域不完整性的晶体体;(d)具有高浓度局具有高浓度局域不完整性的晶体域不完整性的晶体,形成局域带尾态形成局域带尾态.d非晶固体的带隙为非晶固体的带隙为gCVEEE带隙态带隙态非晶固体的吸收光谱非晶固体的吸收光谱a-Si:H以及纯以及纯a-Si和和C-Si的吸收光谱

5、的吸收光谱(A)幂指数区幂指数区 1.8eV 103cm-1 (E-Eg)r(B)e指数区指数区(Urbach边边)1.4-1.8eV 103cm-1(C)弱吸收区弱吸收区 1.4eV 1cm-1q 非晶固体的带间吸收（幂指数吸收边非晶固体的带间吸收（幂指数吸收边-伴随光电导）伴随光电导）考虑体系吸收一个光子，电子考虑体系吸收一个光子，电子:Ei Ef()()figfCViEEEEEEE 1212()()()()riVirffCN EA EEN EA EE能量关系能量关系初态态密度初态态密度末态态密度末态态密度吸收系数为吸收系数为1212()0()()()()()grrVifCiErrViiC

6、iAEEEEdEAEEEEd E 121()rrgBE 对于抛物线能带结构，对于抛物线能带结构，r1=1/2,r2 =1/22()()gBE 间接跃迁的间接跃迁的吸收规律？吸收规律？l 非晶固体的光学带隙测量非晶固体的光学带隙测量a-Si:H吸收边吸收边Tauc作图法作图法Klazes作图法作图法n Tauc作图法作图法（常用）（常用）1/21/2()()gBE 1/2()/B 取取 坐标拟合坐标拟合n Klazes作图法作图法令令r1=1,r2 =11/31/3()()gBE 1/3()/B 取取 坐标拟合坐标拟合两种方法两种方法Eg结果不同结果不同!q带带-带尾态的吸收（带尾态的吸收（e指

7、数区）指数区）晶体带尾态的形成，晶体带尾态的形成，重掺杂引起：重掺杂引起：i:带边形成准连续带边形成准连续能级，并进入带内；能级，并进入带内；ii:离化杂质对带边离化杂质对带边的扰动；的扰动；iii:杂质产生的形变杂质产生的形变势能。势能。N(E)E0E EpE Ei光学跃迁示意图光学跃迁示意图考虑价带到导带尾态抛物线型能考虑价带到导带尾态抛物线型能带的跃迁带的跃迁Ep：P型重掺杂引起的费米能级型重掺杂引起的费米能级Ei、E：跃迁的初态与末态：跃迁的初态与末态价带态密度为价带态密度为iifNA ENNE E1/2100exp(/)吸收光谱可以用态密度卷积表示吸收光谱可以用态密度卷积表示PPii

8、EEExAEE E d EA EExedx01/20/3/21/21/2000()exp(/)1()exp(/)()2 其中其中iEExEE00 e指数分布的带尾态导致指数分布的带尾态导致e指数律的吸收边指数律的吸收边!q带隙态的吸收（弱吸收区）带隙态的吸收（弱吸收区）弱吸收区可归结为带弱吸收区可归结为带隙态引起的吸收，优隙态引起的吸收，优化制备条件，可以减化制备条件，可以减少带隙态引起的吸收少带隙态引起的吸收平台。平台。v非晶体系的发光光谱非晶体系的发光光谱带隙态带隙态非晶体中存在延展态非晶体中存在延展态（导带和价带）、局域（导带和价带）、局域态（导带尾和价带尾）态（导带尾和价带尾）以及带隙

9、态，发光跃迁以及带隙态，发光跃迁与这些状态有关。与这些状态有关。:H不同衬底温度下辉光放电不同衬底温度下辉光放电法制备法制备a-Si:H的发光光谱的发光光谱a-Si:H的发光光谱包括：的发光光谱包括：主峰主峰(1.21.3eV)：带尾态跃迁：带尾态跃迁次峰次峰(0.9eV):带隙态的跃迁带隙态的跃迁类激子假设：类激子假设：过热的电子和空穴经过热的电子和空穴经热均化过程，到达带热均化过程，到达带尾态，重新束缚在一尾态，重新束缚在一起形成类激子。起形成类激子。辉光放电法制备辉光放电法制备a-Si:H的光电流的光电流密度和发光强度的温度关系密度和发光强度的温度关系发光强度的温度关系：发光强度的温度关系：LBRITIk T100()1exp(/)v0:晶格振动频率晶格振动频率vR:辐射复合几率辐射复合几率:无辐射跃迁激活能无辐射跃迁激活能CBVB辐射复合辐射复合(1.4eV)辐射复合辐射复合(0.9eV)非辐射复合非辐射复合a-Si:H光致发光能带示意图光致发光能带示意图