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[0044] 圖1僅示出了本發(fā)明的優(yōu)選裝置，本領(lǐng)域公知的任意其他的能夠?qū)崿F(xiàn)相同功能的 裝置都包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0045] 下面詳細(xì)描述采用圖1的裝置測量半導(dǎo)體材料能隙中間態(tài)能級的優(yōu)選實(shí)施例。
[0046] 第一實(shí)施例
[0047] 根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，測量銳鈦礦型Ti02半導(dǎo)體材料能隙中間態(tài)能級的步驟 如下：
[0048] 步驟1 :將涂在1英寸氟化鈣基片上的銳鈦礦型Ti(V薄膜置于樣品池中，其中，銳 鈦礦型1102納米顆粒的平均粒徑為8nm;
[0049] 步驟2:采用圖1所示的裝置，依次選取410?1500nm范圍內(nèi)的多個不同波長的激 發(fā)光激發(fā)樣品，對于410nm?650nm，以5nm為步長選取波長，對于710nm?1500nm，以10nm 為步長選取波長，激發(fā)光能量為〇. 5mJ/pulSe，并用波長為4. 78ymQOgOcnT1)的探測光探 測被激發(fā)的樣品內(nèi)的光生載流子；通過示波器顯示樣品被不同波長的激發(fā)光激發(fā)后的載流 子動力學(xué)過程，并在電腦程序中采集各個不同激發(fā)波長下的動力學(xué)數(shù)據(jù)；
[0050] 步驟3 :將步驟2所得到的不同激發(fā)波長下的動力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，得到長壽命電 子和短壽命電子的瞬態(tài)紅外吸收復(fù)合動力學(xué)，分別如圖3和圖4所示，圖3為激發(fā)波長分別 為410nm、500nm、600nm、709nm和800nm的動力學(xué)數(shù)據(jù)，這種情況下，電子的壽命相對較長； 圖4為激發(fā)波長分別為1000nm、1100nm、1200nm和1300nm的動力學(xué)數(shù)據(jù)，這種情況下，電子 的壽命相對較短；通過將圖3和圖4的曲線與典型的導(dǎo)帶電子吸收光譜進(jìn)行比較，可以確定 圖3所示的長壽命電子的動力學(xué)來自導(dǎo)帶自由電子的吸收，而圖4所示的短壽命電子的動 力學(xué)是束縛態(tài)電子被激發(fā)到導(dǎo)帶底之下的局域態(tài)產(chǎn)生的；
[0051] 步驟4:將所得到的不同波長的動力學(xué)信息取脈沖激發(fā)250ns之后的值作圖，得到 延遲250ns之后的銳鈦礦型Ti02禁帶激發(fā)掃描光譜，如圖5所示，其中的小圖是700-1000nm 區(qū)域的放大圖，有利于區(qū)分動力學(xué)的轉(zhuǎn)變波長；
[0052] 步驟5 :參照步驟3確定的導(dǎo)帶電子和束縛態(tài)電子的動力學(xué)，根據(jù)步驟2所得到的 指定波長的瞬態(tài)紅外動力學(xué)數(shù)據(jù)以及步驟4得到銳鈦礦型Ti02禁帶激發(fā)掃描光譜找到動 力學(xué)從藍(lán)區(qū)的到紅區(qū)的"相變"點(diǎn)，從而確定費(fèi)米能級；
[0053] 對于N型的Ti02來說，費(fèi)米能級的位置應(yīng)該定在禁帶當(dāng)中束縛態(tài)能級的最高位置 (最靠近導(dǎo)帶底的束縛態(tài)能級）。如果掃描激發(fā)整個禁帶，預(yù)計將存在兩個最低的躍迀能 量，即，（1)從費(fèi)米能級到導(dǎo)帶底；(2)從費(fèi)米能級到最低的局域態(tài)，也就是離導(dǎo)帶底最遠(yuǎn)的 淺束縛能級。在搜索這兩個最低的激發(fā)能的時候，瞬態(tài)紅外吸收動力學(xué)的線型會有導(dǎo)帶電 子的線型向淺束縛態(tài)電子的線型轉(zhuǎn)變，而我們恰好觀測到了這個動力學(xué)的"相變"過程，如 圖5所示。圖6為分別由880nm和890nm激發(fā)的瞬態(tài)吸收紅外動力學(xué)數(shù)據(jù)，前者只具有導(dǎo) 帶電子動力學(xué)的緩慢衰減成分（慢分量），而后者顯然包含了類似于局域態(tài)電子的快速衰 減成分（快分量），而其慢分量的部分也與880nm激發(fā)的動力學(xué)幾乎相同。在890nm激發(fā) 的動力學(xué)里快分量與慢分量共存的現(xiàn)象表明，此時的局域態(tài)電子與導(dǎo)帶電子處于熱平衡狀 〇
[0054] 如圖5所示，從束縛態(tài)電子激發(fā)到導(dǎo)帶下方的局域態(tài)的激發(fā)是從1450nm(0. 86eV) 開始的；而從束縛態(tài)電子到導(dǎo)帶下方的局域態(tài)的躍迀的截止波長可以定在890nm，它是瞬 態(tài)動力學(xué)從藍(lán)區(qū)的慢分量到紅區(qū)的快分量的"相變"點(diǎn)。因此，我們指定從束縛態(tài)電子到導(dǎo) 帶電子的躍迀的起始波長為880nm。鑒于兩個動力學(xué)過程在880nm附近的合并，基本上說明 了淺束縛態(tài)（局域態(tài)）是連續(xù)分布于導(dǎo)帶下方的。因此，銳鈦礦型110 2納米粒子（平均顆 粒直徑8nm)的費(fèi)米能級被確定在導(dǎo)帶底下方EF=he/人=hc/880nm= 1. 41eV(其中，h 為普朗克常量，c為真空中的光速），而最低的淺束縛態(tài)（局域態(tài)）為費(fèi)米能級之上0.86eV 或?qū)У紫路僵? 55eV。
[0055] 步驟6 :根據(jù)步驟4得到的銳鈦礦型Ti02禁帶激發(fā)掃描光譜得到費(fèi)米能級下方的 深束縛態(tài)分布；
[0056] 如圖5所示的導(dǎo)帶電子（非局域態(tài)）和淺束縛態(tài)電子（局域態(tài)）的激發(fā)態(tài)光譜， 前者的紅外吸收強(qiáng)度隨激發(fā)能量單調(diào)增加，而后者則不滿足這個條件，這表明在相應(yīng)的兩 種類型的激發(fā)機(jī)制存在差異。導(dǎo)帶內(nèi)的能級分布幾乎是連續(xù)的，光激發(fā)電子在導(dǎo)帶內(nèi)較高 的能級向?qū)У姿沙诘臅r間預(yù)期為1〇〇飛秒或更小的時間尺度，而導(dǎo)帶底的電子弛豫到淺 束縛態(tài)一般是幾個皮秒或數(shù)十皮秒的時間尺度。由淺束縛狀態(tài)進(jìn)一步到深束縛狀態(tài)則發(fā) 生在數(shù)十皮秒到幾百皮秒的時間尺度。因此，導(dǎo)帶內(nèi)的能級有足夠的空缺位接受光激發(fā)電 子。當(dāng)激發(fā)波長在整個禁帶能隙掃描時，如果激發(fā)能量EJS過費(fèi)米能級和導(dǎo)帶底之間的能 隙AEF，就表示所有的位于費(fèi)米能級以下的束縛態(tài)中的束縛態(tài)電子被激發(fā)到了導(dǎo)帶中去， 這些束縛態(tài)距離費(fèi)米能級的能隙表達(dá)式為Eex- △EF。因此，這段激發(fā)過程我們稱它為積分激 發(fā)，表示為
【主權(quán)項】
1. 一種半導(dǎo)體材料能隙中間態(tài)能級的測量方法，包括如下步驟： 步驟一：采集所述半導(dǎo)體材料在不同激發(fā)波長下的動力學(xué)數(shù)據(jù)，并區(qū)分導(dǎo)帶電子和束 縛態(tài)電子的動力學(xué)； 步驟二：將所述動力學(xué)數(shù)據(jù)取脈沖激發(fā)之后的同一時間的值作圖，得到所述半導(dǎo)體材 料的禁帶激發(fā)掃描光譜； 步驟三：根據(jù)所述動力學(xué)數(shù)據(jù)、所述導(dǎo)帶電子和束縛態(tài)電子的動力學(xué)以及所述禁帶激 發(fā)掃描光譜，確定所述半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級； 步驟四：根據(jù)所述費(fèi)米能級和所述禁帶激發(fā)掃描光譜表征所述半導(dǎo)體材料的束縛態(tài)； 步驟五：根據(jù)所述半導(dǎo)體材料的束縛態(tài)繪出所述半導(dǎo)體材料的帶隙中間態(tài)能級圖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述半導(dǎo)體材料為銳鈦礦型二氧化 鈦或金紅石型二氧化鈦。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，在步驟一中，使用時間分辨瞬態(tài)紅外 吸收動力學(xué)采集裝置采集所述動力學(xué)數(shù)據(jù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的測量方法，其特征在于，所述時間分辨瞬態(tài)紅外吸收動力學(xué) 采集裝置包括用于獲得激發(fā)光的激發(fā)光源和用于獲得探測光的探測光源。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量方法，其特征在于，所述激發(fā)光源的輸出波長為 410nm-2630nm，并且連續(xù)可調(diào)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量方法，其特征在于，所述探測光源為紅外光源。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量方法，其特征在于，所述紅外光源的輸出波長為4. 78 y m 或 6. 25 y m〇
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，在步驟三中，通過找到所述動力學(xué)從 藍(lán)區(qū)到紅區(qū)的相變點(diǎn)確定所述半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，在步驟四中，表征所述半導(dǎo)體材料的 束縛態(tài)包括表征所述費(fèi)米能級下方的深束縛態(tài)以及表征所述費(fèi)米能級上方的淺束縛態(tài)。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體材料能隙中間態(tài)能級的測量方法，包括如下步驟：步驟一：采集所述半導(dǎo)體材料在不同激發(fā)波長下的動力學(xué)數(shù)據(jù)，并區(qū)分導(dǎo)帶電子和束縛態(tài)電子的動力學(xué)；步驟二：將所述動力學(xué)數(shù)據(jù)取脈沖激發(fā)之后的同一時間的值作圖，得到所述半導(dǎo)體材料的禁帶激發(fā)掃描光譜；步驟三：確定所述半導(dǎo)體材料的費(fèi)米能級；步驟四：根據(jù)所述費(fèi)米能級和所述禁帶激發(fā)掃描光譜表征所述半導(dǎo)體材料的束縛態(tài)；步驟五：繪出所述半導(dǎo)體材料的帶隙中間態(tài)能級圖。本發(fā)明能夠確定費(fèi)米能級的位置并且系統(tǒng)地表征半導(dǎo)體材料的中間態(tài)能級，從而指導(dǎo)光催化劑的設(shè)計朝著實(shí)用化、高效化的方向發(fā)展。
【IPC分類】G01N21-63, G01N21-3563
【公開號】CN104614347
【申請?zhí)枴緾N201510002201
【發(fā)明人】翁羽翔, 米陽
【申請人】中國科學(xué)院物理研究所
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2015年1月4日