通过透射光谱和电阻率测量加深对固体能带理论的理解.docVIP

通过透射光谱和电阻率测量加深对固体能带理论的理解 1、紫外－可见分光光度计测量透射光谱 实验目的 1、学习紫外－可见分光光度计的工作原理和使用方法； 2、学习用紫外－可见分光光度计测量薄膜样品的透射光谱； 3、能根据透射光谱推算出材料的光学禁带宽度。 二、实验原理 紫外-可见光分光光度计利用物质对光的选择性吸收来对物质进行定性、定量分析，确定物质的透光性、光学带隙值。其工作原理是当一定频率的紫外-可见光照射物质时，电子在不同能级之间发生跃迁，从而有选择地吸收激发光。随波长而变化的光谱，反映了试样的特征。它可以对多种材料进行分析，无论是透明、非透明、块状、薄膜还是粉末样品都可以方便地测量。 当光进入介质时，透射光的强度随样品厚度的变化呈指数形式，即：，其中I为透射光的强度，I0为入射光的强度，(为吸收系数，d为样品的厚度，定义透射率，则有：。对于直接带隙半导体，在其本征吸收带内，吸收系数与光子能量有如下关系：，式中Eg为光学禁带宽度，A为常数。我们可以利用曲线对作图，将线性区外推到横轴上来估算禁带宽度值Eg。具体操作过程如下： 1、根据透过率T和薄膜厚度d计算得到吸收系数。如果透射光谱中纵坐标以100为完全透过率，则上式中数值1改为100；d的单位为nm。 2、求出光子能量。 3、求出。 4、利用origin软件，以为纵坐标，为横坐标作图。 5、选择预线性拟合的范围，点击Tools，Linear fit，settings，在Points中填入数字2；在Range中填入数字范围(0~200)；点击Operation，点击Fit按键；在Find Y中输入数字0，点击Find X按键，得到横坐标交点数值Eg。 三、实验装置 本实验采用日本津岛生产的UV-2450型紫外－可见分光光度计，由光源、单色仪、样品架、检测器、计算机数据采集及处理系统组成，波长扫描范围200－900nm，扫描速度中速。 四、实验步骤和内容 1、打开分光光度计运行软件，将光谱扫描范围设为200-900nm，扫描步长为5nm，扫描方式为透射率。 2、将两片没有镀膜的干净基片分别放置于参比池和样品池，先做基线扫描，然后将样品池的基片换成镀了薄膜的基片，进行光谱扫描，从而得到透射光谱。 3、用紫外可见分光光度计分别测量ZnO、ZnO:Al、Au等薄膜样品和石英片（SiO2）的透射光谱。 五、实验数据处理 1、利用origin软件，以透过率T为纵坐标，以波长(（nm）为横坐标作图，所有样品的透射谱作在一张图上。 2、根据实验原理部分的方法拟合出ZnO、ZnO:Al样品的光学带隙Eg。 四探针法测电阻率 一、实验目的 1、了解四探针电阻率测试仪的基本原理、组成和使用方法； 2、能对给定样品的电阻率进行测试，并对实验结果进行分析和讨论。 二、四探针法测电阻原理（经典法） 最常用电阻测量法是用两个电极接触在样品表面上测量流过两者之间的电流或者电压降，但无法区分电极和样品之间的接触电阻和样品自身电阻，影响数据可靠性。四探针法中四个探针等距地排成直线，外面的一对探针（1，4）通以高精度的直流稳流电流I，里面的探针（2，3）用来测量电压V，由高内阻数字电压表或电位差计读取。这样做可以避免接触电阻产生的影响。四探针法中所用探针应很尖细，可假设接触是理想的几何点。 在样品的线度（包括面积和厚度）比探针距离大得多的情况下，可通过电位叠加原理证明：，式中s为探针间的间距。四探针法也可用于测量厚度d远小于探针间距s的无穷大的薄层的电阻率，此时得到：，具有电阻的量纲。可证明它等于一正方形的薄层所具有的电阻，通常称为方块电阻。 三、实验装置 本实验采用北京七星华创D41-11D/ZM型微控四探针测试仪，探针间距：1±0.01mm；方块电阻R□测量范围：10-1 ～9×10+5Ω/□。 四、实验步骤和内容 1、打开电脑，打开四探针程序，随便选定一个mdb文件打开（如图）。 2、选定一个数据库进入程序 3、将样品置于样品台上，并位于探针正下方，并在程序界面选择测试项目以及测量档，设置探针自动抬起，单机测试测量开始测试。 4、分别测量ZnO、ZnO:Al、Au等薄膜样品和石英片（SiO2）的方块电阻。 五、实验数据处理 根据已知的薄膜厚度以及测得的各样品方块电阻，分别求它们的电阻率。 实验结果分析与讨论 一、对比ZnO、ZnO:Al两个样品的光学带隙，查阅文献解释它们的不同。 提示：后者的光学带隙大于前者，利用Burstein-Moss效应解释。 二、利用能带理论，分析并讨论各样品光学透射谱和电阻率的差异。 5