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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
(E
g
)
。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，<
/p>
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
E
g
；
2.
VB XPS
< br>测得价带位置
(E
v
)
；
3.
SRPES
测得
E
f
、
E
v
以及缺陷态
位置；
4.
通过测试
Mott-
Schottky
曲线得到平带电势；
5.
通过电负性计算得到能带位置
.
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
BaSO
4
粉末（由于
BaSO
4
粉
末几乎对光没有吸收，可做背景测试）
，然后用盖玻片将
BaS
O
4
粉末压
实，使得
< br>BaSO
4
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
BaSO
4
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
（
U
V-Vis DRS
）
，
采用背景测试
样
（
BaSO
4
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，
< br>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
Tauc
plot
法。截线法的基本原理是
认
为
半
导
体
的
带
边
波
长
（
λ
g
）<
/p>
决
定
于
禁
带
宽
度
E
g
。
两
者
之
间
存
在
E
g
(eV)=hc/λ
g
=1240/λ
g
(nm)
< br>的数量关系，可以通过求取
λ
g
来得到
E
g
。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
Tauc
plot
法。
具体操作：
1
、一般通过
UV-Vis DRS<
/p>
测试可以得到样品在不同波长下的吸收，如图
4
< br>所示
;
图
4.
紫外可见漫反射图。
2.
根据
(αhv)
1/n
= A(hv
–
Eg)
，其中
α
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-Vis DRS
数据分别求
(αhv)
1/n
和
< br>hv=hc/λ, c
为光速，
λ
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
，
α
为吸光系数，两者成
正比。通过
Ta
uc
plot
来求
Eg
时，不论采用
Abs
还是
α
，对
Eg
值无影响，可以
直接用
A
替代
α
，但在论文中应说明。
4.
< br>在
origin
中以
(αhv)
1/n
对
hv
作图，所作图如图
5
所示
ZnIn
2
S
4
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. Tauc
plot
图。
图
6
与图
7
所示是文献中通过测试<
/p>
UV-Vis DRS
计算相应半导体的带隙
Eg
的图。
图
6. W
18
O
19
以及
Mo
掺杂
W
18
O
19
(MWO-1)
的紫外可见漫反射图和
Tauc plot
图。
图
7. ZnIn
2
< br>S
4
(ZIS)
以及
O
掺杂
ZIS
的紫外可见
漫反射图和
Tauc plot
图。
2.
VB
XPS
测得价带位置
(Ev)
根据价带
X
射线光电子能谱（
VB XPS
）的测试数据作图，将所得到图形在
0
eV
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
ZnIn
2
S
4
以及<
/p>
O
掺杂
ZnIn
2
S
4
的
VB
XPS
图谱，
在
0
eV
附近
（
2
eV
和
1
eV
）发现有直线部分进行延长，并将小于
0 eV
的水平部分延长得到的交点
即分别为
ZnIn
2
S
4
以及
O
掺杂
ZnIn
2<
/p>
S
4
的价带位置对应的能量
（
1.69
eV
和
0.73 eV
）
。
如图
9
为
TiO
2
/C
的
VB
XPS
图谱，同理可得到其价带位置能量（
3.09
eV
）
。
图
8. ZnIn
2
< br>S
4
(ZIS)
以及
O
掺杂
ZIS
的
VB XPS
图。
图
9.
TiO
2
/C
HNTs
的
VB
XPS
图。
3.
SRPES
< br>测得
E
f
、
E
v
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
(SRPES)
计算相应半导
体的
E
f
、
E
v
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
< br>（
E
VBM
-E
f
）
；该谱图在靠近
0
eV
处
(
费米能级
E
f
)
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
39 eV
，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
(E
f
)<
/p>
。
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