表面電子－聲子交互作用光聲與表面光伏探測方法

2023-06-27 05:19:26

專利名稱：表面電子－聲子交互作用光聲與表面光伏探測方法
技術領域：
本發明利用導體和半導體材料表面光聲效應與表面光生伏特效應之間的能量互補關係，結合光聲光譜和表面光電壓譜所得結果，提供一種導體和半導體材料表面電子-聲子的交互作用光聲與表面光伏探測方法。屬於凝聚態表面電荷輸運性質探測與研究技術領域。
背景技術：
在一個電子周圍的晶格畸變引起其附近正電荷密度的提高，提高的電荷密度將隨著陽離子的振動沿晶格傳播(見圖7)。這些畸變的晶格可以在一定的範圍內影響其它電子的運動，這些運動的電子以同樣的方式與晶格相互作用，這就是所謂的電子-聲子交互作用。目前用以檢測導體和半導體材料電子-聲子交互作用的主要檢測方法包括a、電子-聲子交互作用點接觸譜；b、共振拉曼散射法；c、定頻電導率法；d、熱電子檢測法。這些方法是利用在不同外加誘導場的作用下引起電子受激躍遷過程中，直接或間接檢測導體和半導體體材料的電子與聲子之間的交互作用。這些檢測方法在檢測過程中對測量溫度都有不同程度上的嚴格限制，大多數檢測是在超低溫或高溫下進行。利用光聲技術探測矽單晶半導體材料的電子-聲子交互作用的實驗方法已有報導。從理論的角度看，對電子-聲子交互作用的研究是對導體或半導體材料(尤其是納米結構的量子線或量子點)電荷輸運過程中能量交換和輸運的有效通道的討論，即對電荷輸運的動力學和熱力學的研究。從實際應用的角度看，電子-聲子交互作用的研究可以促進各類新型電子材料的研製和開發，例如，由納米線、納米管、以及各種納米材料製備的納米器件，太陽能光伏材料，光學纖維材料，低溫和高溫超導材料等的研製和開發。電子-聲子交互作用的利用在上述材料的應用性能中是相當重要的。

發明內容
已有的電子-聲子交互作用的各種檢測方法提供的是被測材料的一種本體性質，即材料整體在電荷輸運過程中與晶格進行能量的交換情況。此時的電荷輸運過程是指在外加誘導場作用下的電子躍遷過程。在這種躍遷過程中，通過電子與聲子之間的相互作用來完成能量轉換。通過材料研究的發展過程可以看出，對於材料表面結構和性能的研究顯得越來越重要。尤其是隨著具有納米結構的各類材料結構與性能研究的不斷深入，人們更加迫切的需要了解各類材料表面和界面的特殊性能。這些特殊性能中的光電、光電磁、和磁學等性能，對於各類新型電子材料的研製與開發起了決定性作用。
針對現有電子-聲子交互作用的檢測技術提供的是材料的本體性質，而不只與材料表面的電荷輸運性質有關這一事實，本發明通過光聲與表面光伏技術結合，提供一種表面電子-聲子交互作用光聲與表面光伏探測方法。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是確定光聲信號的最佳調製頻率，利用導體和半導體材料表面的光生伏特效應與材料表面光聲效應之間的能量互補這一事實，根據相關的試驗數據和有關知識，檢測、分析和判斷在不同波長光的誘導下產生材料表面光生電荷的傳輸的性質，以及各類電子傳輸與電子-聲子交互作用的內在關係。
表面光電壓譜反映了材料在光激發後電荷轉移躍產生的光生伏特現象，並提供材料表面相應電荷轉移躍遷性質的有關信息。這些信息與產生表面光伏信號的電荷轉移躍遷過程有關。而光聲信號的強度則與晶格有能量交換的那些無輻射退激過程(例如帶-態躍遷、態-態躍遷、態-帶躍遷，激子對退激，光生載流子的複合等)有關。由於這些光聲信號只與電子在不同能級間轉移時引起的晶格馳豫有關，而與其它的能量輻射(如光輻射和電磁場輻射等)無關，因此稱這些躍遷為多聲子無輻射躍遷。這些躍遷過程應該提供材料表面電子-聲子交互作用的信息。本發明以上述理論為依據，結合光聲光譜與表面光電壓譜所得結果，在對不同材料的檢測過程中觀察到的無輻射退激的光聲和表面光伏信號分析和討論後，觀察並確認了這些信號與材料表面電子-聲子交互作用有直接的關係。
這種表面電子-聲子交互作用光聲與表面光伏探測方法是(一)檢測(1)表面光電壓譜的檢測①、將未作任何處理的樣品1放入表面光電壓樣品池f中，樣品1兩面分別與ITO導電玻璃3相接觸，樣品1可以是粉末、塊體和薄膜不透明材料；②、與受光面和背光面樣品1接觸兩端的電極接到鎖相放大器4的信號輸入端；③、受光面和背光面ITO導電玻璃3的兩極與外加電場g相接，外加電場g在-10～10伏範圍內可調；④、開啟光源a，光源a為500W氙燈光源；⑤、調製單色儀b至所要求的波長300-800納米範圍內不同波長的單色光，斬波器d的調製頻率在10-80Hz範圍內選擇；
⑥、按所要求的波長範圍開始掃描，來自鎖向放大器h輸出端的信號由計算機j進行模數轉換(A/D卡)處理後並繪製成表面光伏響應與波長的關係曲線；⑦、該檢測是在常溫常壓下進行的；(2)光聲光譜的檢測①、將未作任何處理的樣品11放入光聲樣品池的樣品託10中，將帶有豁口的石英玻璃12小心放入樣品11上面，其豁口與麥克風16所在方向一致；②、開啟光源a，光源a為500W氙燈光源；③、調製單色儀b至所要求的波長300-800納米範圍內不同波長的單色光；④、斬波器d的調製頻率在10-80Hz範圍內選擇；⑤、按所要求的波長範圍開始掃描；⑥、來自麥克風的光聲信號經前置放大器處理後，由計算機j進行模數轉換(A/D卡)處理並繪製成光聲強度與波長的關係曲線，所得強度與波長的關係曲線用碳黑粉在相同波長範圍內的光聲數據曲線進行歸一化處理；⑦、檢測是在常溫常壓下進行。
(二)定性說明的物理參數利用光聲與表面光伏效應之間的能量互補關係，結合所測得的光聲光譜和表面光電壓譜的有關信息，定性解釋和說明導體和半導體材料表面電子-聲子交互作用①、根據表面光電壓譜在光子能量大於光電閾值波長範圍內出現的光伏響應信號，分析產生光生伏特信號的帶-帶躍遷的性質，當光子能量大於光電閾值時，產生的光伏響應與不同性質的帶-帶躍遷相對應；②、根據電場誘導的表面光電壓譜判斷材料的光伏特性。若加入負電場後，樣品帶-帶躍遷所產生的光生伏特信號明顯增強，當加入正電場後，光生伏特信號的強度不發生改變或減弱，則說明被測材料具有n-型光伏特性。反之，則具有p-型光伏特性；③、通過實驗測得樣品的光聲光譜與在相同波長範圍內未加電場的表面光電壓譜進行對比分析，通過表面光伏相應信號強度的對比，判斷並確定二者能量的互補關係；④、利用光聲信號與表面光伏信號之間的互補關係、產生光聲信號的原理、以及不同波長光誘導可能產生的電荷轉移躍遷的性質，分析和討論電子在無輻射退激過程中與聲子之間的能量交互作用及特性；
(三)定性分析原則根據測得樣品的光聲光譜和在相同溫度、壓力、調試頻率和入射光波長範圍下測得的樣品的表面光電壓譜，利用表面光伏響應與光聲信號之間的能量互補關係，討論不同波長對應的光聲信號與電子-聲子交互作用的定性關係①、當光子能量等於光電閾值時，由於在這一波長範圍光子的能量全部用於光生伏特過程，所以相應的光伏信號(帶-帶躍遷產生的)較強，而與之相對應的光聲信號在這一波長範圍內應基本為零，由此明顯的看出了兩種效應的能量互補關係；②、當光子能量大於光電閾值時，由於在這一波長範圍光子的能量部分用於光生伏特過程，多餘的能量則釋放給晶格導致晶格振動，並產生光聲信號。即在光子能量大於光電閾值時產生的光聲信號，可歸因於帶-帶躍遷退激過程產生的電子-聲子交互作用；③、當光子能量小於光電閾值的帶邊附近出現一系列光聲信號時，可以考慮是由於激子退激過程產生的電子-聲子交互作用；④、當光子能量小於帶邊能量時，若出現一系列光聲信號，並伴隨光伏信號的消失，應指認為亞帶隙電荷轉移躍遷的退激過程引起的電子-聲子交互作用。


圖1為檢測表面光電壓譜和光聲光譜檢測流程示意圖；圖2為表面光電壓池示意圖；圖3為光聲池示意圖；圖4為納米晶La0.8Sr0.2FeO3樣品在負電場誘導下的表面光電壓譜示意圖；圖5為納米晶La0.8Sr0.2FeO3樣品在正電場誘導下的表面光電壓譜示意圖；圖6為表面光電壓譜和光聲譜示意圖；圖7為電子-聲子交互作用的模型示意圖。
在上述附圖中，1、樣品，2、充氣孔，3、石英窗口，4、鎖相放大，光束，6、直流電源，7、銅金屬外殼，8、Be-Mo合金內壁，9、ITO石英玻璃，10、樣品託，11、樣品，12、石英玻璃，13、調製光，14、前置放大，15、不鏽鋼外殼，16、麥克風，17、特氟隆，a、光源，b、單色儀，c、濾波器，d、斬波器，e、透鏡，f、樣品池，g、外電場，I、電源，j計算機數據採集和處理系統，k印表機，l、光聲譜，m、光電壓譜，n、電子-聲子交互作用的定性分析。
實施例首先，根據表面光電壓譜在光子能量大於光電閾值波長範圍內出現的光伏響應信號，分析產生光生伏特信號的帶-帶躍遷的性質。見納米晶La0.8Sr0.2FeO3樣品在正、負電場誘導下的表面光電壓譜(見圖4和圖5)。當光子能量大於光電閾值2.3eV(即波長小於540nm)時，300～400nm範圍內有一強的信號，400～450nm範圍有一肩峰響應(見圖5)。二者恰與兩個不同性質的帶-帶躍遷相對應。當加入負電場後，這兩個光生伏特信號均明顯增強(見圖4)，當加入正電場後，光生伏特信號的強度不發生改變(見圖5)。說明被測材料具有n-型光伏特性。即由這些結果可以斷定兩點材料產生光生伏特信號的電荷轉移躍遷對應的波長，以及被測材料的導電特性。
然後，通過實驗測得樣品的光聲光譜(見圖6(a))與在相同波長範圍內未加電場的表面光電壓譜(見圖6(b))相對照。通過表面光電壓譜和光聲光譜產生的信號的對比，判斷二者能量的互補關係。利用光聲信號與表面光伏信號之間的互補關係、產生光聲信號的原理、以及不同波長光誘導可能產生的電荷轉移躍遷的性質，分析和討論電子在無輻射退激過程中與聲子之間的能量交互作用。詳細分析過程如下由表面光電壓譜和負電場誘導下的表面光電壓譜可以確定材料的禁帶寬度(本樣品的禁帶寬度約為2.3電子伏特)；以及主帶隙電荷轉移躍遷(即帶-帶躍遷)所對應的波長範圍(本樣品帶-帶躍遷對應的波長範圍分別為330和450納米)。
根據測得樣品的光聲光譜和在相同實驗條件(溫度、壓力、調試頻率、和入射光波長範圍)下測得的樣品的表面光電壓譜(本例測得結果見圖6(a)和(b))，利用表面光伏響應與光聲信號之間的能量互補關係，討論不同波長對應的光聲信號與電子-聲子交互作用的定性關係。
從圖6(a)和(b)的對比可知，在330納米波長範圍內發生了第一類帶-帶躍遷。這一躍遷導致在這一波長範圍內的光生伏特效應。即由於在這一波長範圍光子的能量全部用於光生伏特過程，導致了(b)中在這一波長範圍內強的光伏響應，與之相對應的是(a)中的光聲信號在這一波長範圍內基本為零，由此明顯的看出了兩種效應的能量互補關係。
圖6(a)中，330納米波長之前出現的光聲信號是由於在這一波長範圍內，光子能量大於該帶-帶躍遷的那部分能量在退激過程中釋放給晶格引起的。圖6(a)中光聲信號不為零的波長區域，均發生了電子在無輻射退激過程中與晶格進行能量交換的現象，既發生了電子-聲子之間的交互作用。例如，圖7(a)中光聲信號的第二個極小值出現在約475納米範圍內。這一極小值恰好對應於圖6(b)相同波長範圍內，光伏響應的肩峰信號(這一信號在加入負電場後明顯提高，見圖4)，這個肩峰信號是本樣品的另一個帶-帶躍遷產生的。這又一次看出了兩種效應的能量互補關係。與此同時，可以看到光聲信號的第二個極小值不為零。這是由於在這一波長範圍內，光子能量大於隨後發生的亞帶隙電荷轉移躍遷所需能量造成的。
根據樣品的電子結構和躍遷性質可以認定，圖6(a)中波長小於光電閾值2.3eV(即545-600納米範圍內)時出現的一系列光聲信號，與激子對退激過程的電子-聲子交互作用密切相關。在600-800納米波長範圍內出現的一系列光聲信號，被認定為是由於晶體場躍遷的退激過程所產生的電子-聲子交互作用造成的。圖6(b)中樣品在545-800納米波長範圍內的光伏響應基本為零，正是由於在實驗條件下的亞帶隙電荷轉移躍遷不產生或很少產生光生伏特現象，而電子退激過程中的能量幾乎全部用於產生晶格振動的電子-聲子能量交互作用。這也同樣利用了光聲和光伏效應的能量互補關係。
綜上所述，本發明利用了導體和半導體材料表面光伏效應與光聲效應之間的能量互補關係，結合表面光電壓譜和光聲技術所得樣品的測試結果進行相應的研究工作；通過本發明探測到光伏響應和光聲信號都是由材料表面、亞表面和界面上的電荷輸運過程所導致的。因此，它們提供的是材料表面、亞表面、和界面上的有關信息；利用電子-聲子之間交互作用所產生的光聲信號所對應的光子的能量範圍判斷電子從激發態回到基態無輻射退激過程的有效通道。通過光聲與表面光伏技術的結合，可以在室溫下觀察到激子對的無輻射退激過程所產生的光聲信號。
本發明的有益效果是利用檢測結果，可以直接討論導體、半導體材料表面、亞表面、和界面上電子-聲子的交互作用，以及在表面、亞表面和界面上發生的無輻射退激過程的有效通道。與現有其它相關技術比較，本發明具有非接觸、非預處理、快速檢測和高靈敏度的特點其靈敏度可達到5×107原子/cm3，一般高於一些標準光譜或能譜，如XPS或Auger電子能譜，幾個數量級。本發明試驗設備簡便，操作可在室溫下進行。利用光聲與表面光伏技術的結合，可以判斷室溫下觀察到在無輻射退激過程中激子對所產生的光聲信號。尤其重要的是，該發明可以提供材料表面、亞表面和界面上的電子-聲子交互作用的信息。
權利要求
1.一種表面電子-聲子交互作用光聲與表面光伏探測方法，其特徵是(一)檢測(1)表面光電壓譜的檢測①、將未作任何處理的樣品(1)放入表面光電壓樣品池(f)中，樣品(1)兩面分別與ITO導電玻璃(3)相接觸，樣品(1)可以是粉末、塊體和薄膜不透明材料；②、與受光面和背光面樣品(1)接觸兩端的電極接到鎖相放大器(4)的信號輸入端；③、受光面和背光面ITO導電玻璃(3)的兩極與外加電場(g)相接，外加電場(g)在-10～10伏範圍內可調；④、開啟光源(a)，光源(a)為500W氙燈光源；⑤、調製單色儀(b)至所要求的波長300-800納米範圍內不同波長的單色光，斬波器(d)的調製頻率在10-80Hz範圍內選擇；⑥、按所要求的波長範圍開始掃描，來自鎖向放大器(h)輸出端的信號由計算機(j)進行模數轉換(A/D卡)處理後並繪製成表面光伏響應與波長的關係曲線；⑦、該檢測是在常溫常壓下進行的；(2)光聲光譜的檢測①、將未作任何處理的樣品(11)放入光聲樣品池的樣品託(10)中，將帶有豁口的石英玻璃(12)小心放入樣品(11)上面，其豁口與麥克風(16)所在方向一致；②、開啟光源(a)，光源(a)為500W氙燈光源；③、調製單色儀(b)至所要求的波長300-800納米範圍內不同波長的單色光；④、斬波器(d)的調製頻率10-80Hz範圍內選擇；⑤、按所要求的波長範圍開始掃描；⑥、來自麥克風的光聲信號經前置放大器處理後，由計算機(j)進行模數轉換(A/D卡)處理並繪製成光聲強度與波長的關係曲線，所得強度與波長的關係曲線用碳黑粉在相同波長範圍內的光聲數據曲線進行歸一化處理；⑦、檢測是在常溫常壓下進行。(二)定性說明的物理參數利用光聲與表面光伏效應之間的能量互補關係，結合所測得的光聲光譜和表面光電壓譜的有關信息，定性解釋和說明導體和半導體材料表面電子-聲子交互作用①、根據表面光電壓譜在光子能量大於光電閾值波長範圍內出現的光伏響應信號，分析產生光生伏特信號的帶-帶躍遷的性質，當光子能量大於光電閾值時，產生的光伏響應與不同性質的帶-帶躍遷相對應；②、根據電場誘導的表面光電壓譜判斷材料的光伏特性。若加入負電場後，樣品帶-帶躍遷所產生的光生伏特信號明顯增強，當加入正電場後，光生伏特信號的強度不發生改變或減弱，則說明被測材料具有n-型光伏特性。反之，則具有p-型光伏特性；③、通過實驗測得樣品的光聲光譜與在相同波長範圍內未加電場的表面光電壓譜進行對比分析，通過表面光伏相應信號強度的對比，判斷並確定二者能量的互補關係；④、利用光聲信號與表面光伏信號之間的互補關係、產生光聲信號的原理、以及不同波長光誘導可能產生的電荷轉移躍遷的性質，分析和討論電子在無輻射退激過程中與聲子之間的能量交互作用及特性；(三)定性分析原則根據測得樣品的光聲光譜和在相同溫度、壓力、調試頻率和入射光波長範圍下測得的樣品的表面光電壓譜，利用表面光伏響應與光聲信號之間的能量互補關係，討論不同波長對應的光聲信號與電子-聲子交互作用的定性關係①、當光子能量等於光電閾值時，由於在這一波長範圍光子的能量全部用於光生伏特過程，所以相應的光伏信號(帶-帶躍遷產生的)較強，而與之相對應的光聲信號在這一波長範圍內應基本為零，由此明顯的看出了兩種效應的能量互補關係；②、當光子能量大於光電閾值時，由於在這一波長範圍光子的能量部分用於光生伏特過程，多餘的能量則釋放給晶格導致晶格振動，並產生光聲信號。即在光子能量大於光電閾值時產生的光聲信號，可歸因於帶-帶躍遷退激過程產生的電子-聲子交互作用；③、當光子能量小於光電閾值的帶邊附近出現一系列光聲信號時，可以考慮是由於激子退激過程產生的電子-聲子交互作用；④、當光子能量小於帶邊能量時，若出現一系列光聲信號，並伴隨光伏信號的消失，應指認為亞帶隙電荷轉移躍遷的退激過程引起的電子-聲子交互作用。
2.根據權利要求1所述的表面電子-聲子交互作用光聲與表面光伏探測方法，其特徵是樣品可以是粉末、塊體和薄膜不透明材料。
全文摘要
本發明利用導體和半導體材料表面光聲效應與表面光生伏特效應之間的能量互補關係，結合光聲光譜和表面光電壓譜所得結果，提供一種導體和半導體材料表面電子－聲子的交互作用光聲與表面光伏探測方法。利用檢測結果，可以直接討論導體、半導體材料表面、亞表面、和界面上電子－聲子的交互作用，以及在表面、亞表面和界面上發生的無輻射退激過程的有效通道。本發明具有非接觸、非預處理、快速檢測和高靈敏度的特點其靈敏度可達到5×10
文檔編號G01N21/31GK1588001SQ20041006437
公開日2005年3月2日 申請日期2004年8月24日 優先權日2004年8月24日
發明者李葵英 申請人:燕山大學