（凝聚态物理专业论文）znse薄膜和gaas体材料的压力微分反射光谱.pdf

复旦大学学位论文摘要 y 3 6 2 9 l ， 论丈题目：z n s e 薄膜和g a a s 体材料的压力微分反射光谱 堑墨茎 系( 所) 塑鐾查 专业 2 q q q届研究生 璺互里指导老师惑宝! 睦良整耋邀 摘要 作者在研究生阶段主要是从事半导体调制光谱的测量。其中的重点是压 力微分光谱。具体的工作主要是： 一、设计制作了多种空间调制扫描装置，并应用于实验室的各种调制光谱实 验中。空间调制方法( 微分方法) 利用被测材料的参数在空间分布上的不 均匀达到调制的目的。这种参数的不均匀可以是样品制备时造成的，也 可以是人为的施加上去的，包括温度和压力梯度。进而组合形成多种多样 的调制光谱方法。它不但对其他调制技术有很好的包容性，而且实验方 便，装置简单，信号分辨率高，强度变化范围大。是很有前途并能广泛 应用的调制光谱方法。4 二、 设计制作出新的压力调制装置。该装置对样品制备要求简单，并且同一 实验样品可以多次使用。避免了复杂的实验操作和苛刻的客观条件要求。 作者在室温下测试了z n s e 薄膜，g a a s 体材料的压力微分反射谱。，从测试 结果可以看出，压力调制谱比普通的反射谱和不加应力的空间调制谱有 更高的分辨率和灵敏度。 关键词：调制光谱 学科分类号：0 4 3 3 1 空间调制压力调制 0 4 8 2 3 复旦大学研究生院学位论文摘要专用纸 d i f f e r e n t i a lr e f l e c t a n c e s p e c t r o s c o p yo fz n s e f i l ma n dg a a sb u l ku n d e r e x t e r n a l l ya p p l i e ds t r e s sg r a d i e n t d e p a r t m e n t 髓￥s i sm a j o r f i e l dc o n d e n s e dm a t t e r p h y s i c s n a m e _ w a n l im a a d v i s o rp r o f e s s o r n i n gd a i , l i a n g y a oc h e n a b s t r a c t ： m yg r a d u a t ew o r ki sm a i n l yi nt h em e a s u r e m e n to fs e m i c o n d u c t o r sm o d u l a t i o n s p e c t r o s c o p y ，i nw h i c hi c o n c e r nm o r ea b o u ts t r e s sm o d u l a t i o ns p e c t r o s c o p y t h e s p e c i f i cw o r k i s ： id e v i s e ds e v e r a ld i f f e r e n t i a lm o d u l a t i o nm o d e l sa n d a p p l i e d t h e mi nt h e e x p e r i m e n t s o fo u r l a b m yi n v e s t i g a t i o ns u g g e s t st h a t ，c o m b i n e d w i t ht h e a p p l i c a t i o no f af i e l dg r a d i e n t ， u s e f u lf o rt h ec h a r a c t e r i z a t i o n d i f f e r e n t i a lr e f l e c t a n c e ( d r ) o fs e m i c o n d u c t o r s t h ed r c a nb em a d e e x t r e m e l y t e c h n i q u es h o w sb e t t e r s e n s i t i v i t y t h a nd h o t o r e n e c t a n c eo nt h i n e p i l a y e r s i t c a n p r o v i d eo n ew i t hr i c h i f l f o r m a t i o na b o u tc r i t i c a i p o i n te n e r g i e s ，t r a n s i t i o ne n e r g i e s b e t w e e ns u b b a n d s ， m a t e r i a lc o n c e n t r a t i o n s ，e t c ia l s od e v i s e dan e wm o d e lf o rs t r e s sm o d u l a t i o nw h i c hr e q u i r e sl i t t l ef o rt h e p r e p a r a t i o no fs a m p l e s a n di t i sc o n v e n i e n tt ou s et h es a m es a m p l eo n c em o r e t h e r ea r en o c o m p l i c a t e de x p e r i m e n tp r o c e d u r e s o r r i g o r o u sr e q u i r e m e n t o f e n v i r o n m e n tc o n d i t i o n s im e a s u r e dt h es t r e s sm o d u l a t i o ns p e c t r o s c o p yo fz n s e f i l ma n dg a a sb u l k ac o n c l u s i o nc a nb ed r a w nf r o mt h er e s u l t st h a ta p p l y i n gs t r e s s o ns a m p l e sm a ys t r o n g l ye n h a n c et h ed r s i g n a l ，l e a d i n gt ot h ei m p r o v e m e n ti n s e n s i t i v i t ya n d r e s o l u t i o n k e y w o r d s ：m o d u l a t i o ns p e c t r o s c o p y ，d i f f e r e n t i a lr e f l e c t a n c e ( d r ) s t r e s sm o d u l a t i o n 复旦大学硕士论丈 z n s e 薄膜和g a a s 体材料的压力微分反射光谱 第一章概论 吸收光谱和反射光谱是研究半导体能带结构及其他有关性质 的最基本最普遍的光学方法之一，这些实验所涉及的波段可以从 毫米波段直到远紫外光谱甚至软x 射线波段，对应的光子的能量 从l m e v 到1 0 3 e v ，他们可以和半导体中几乎所有的基本激发过程 相互作用，在与带间跃迁对应的基本吸收区域，与光学声子有关 的剩余射线吸收区域，以及自由载流子集体激发等离子体吸收区 域，吸收系数大到许多情况下实验难以测量的地步，因而反射光 谱和调制反射光谱是这些区域中常用的光谱方法，而在其他波段 则广泛采用吸收光谱方法，在紫外和红外波段的实验中。真空型 光谱装置是必须的，以避免空气分子的紫外吸收和水蒸气的红外 吸收。 光吸收边的存在是半导体吸收光谱和反射光谱的最突出的一 个特征，是半导体以及绝缘体光谱区别于金属光谱的主要之处， 对半导体的光吸收边，人们已经广为研究，在这种研究中，人们 常常通过改变外界条件来改变光吸收边的行为，这种外界条件的 变化也称为外微扰或外扰条件。外加微扰可以影响半导体的能带 第一章概论 复旦大学硕士论文 结构，从而影响半导体的基本吸收和吸收边。反之，外微扰作用 下半导体带问跃迁和光吸收边的变化，又被人们广泛用来研究半 导体的能带结构，从而深化了对半导体能带结构的认识。外微扰 对半导体能带的影响及由此诱发的种种现象的研究导致半导体的 许多新应用，我主要讨论压力对半导体光吸收边的影响。 第二章背景介绍复旦大学硕士论文 第二章背景介绍 光谱方法是一种研究化学、生物、原子、半导体材料的一种 较重要的方法。我们知道，半导体材料中的电子受到晶格周期势 的影响，必须用能带来表示，通过光谱方法( 反射谱、吸收谱) 我们可以直接研究这些能带结构的特性。 吸收光谱和反射光谱都是静态光谱，即将光束入射到样品表 面，测出入射光频率连续变化时透射和反射的光强。通过研究光 强的变化，来分析材料的能带结构。这在研究吸收边及吸收边以 上的光谱测量中有重要作用，亦即在研究最低能带极值以上的半 导体能带结构中有重要的作用。分析表明，半导体能带结构的临 界点特性在很大程度上决定了其介电函数谱的虚部，从而决定了 光谱的特性，人们可以将光谱上的结构和联合态密度的解析奇异 性一临界点联系起来。 然而这种单纯的静态光谱实验有重要的局限性。反射光谱上 的特征，如峰值，反应了布里渊区中能量简并的不同临界点附近 跃迁的贡献的总和，甚至也包括了布里渊区中价带一导带能量差 为入射光能量力( i ) 的任何波矢位置跃迁的贡献。而人们要研究的某 一临界点附近的跃迁，可能只反映为这种反射峰附近的一个精细 结构。这一情况严重地影响着光谱实验结果的解释，也不能将光 谱图上的主要的光谱结构的数目和临界点数目直接联系起来。而 第二章背景介绍 复旦大学硕士论文 且由于联合态密度是波长的缓变函数，反射谱曲线一般比较微 弱，含糊不清和灵敏度低的。总之，为精确确定一临界点，静 态反射实验提供的信息是远远不够的，迄今不存在一种直接了当 的步骤，可以将静态反射谱结构对应的光子能量和能带计算时作 为参数调节依据的基本跃迁直接联系起来。 为了克服静态反射谱及其它静态光谱研究的这种局限性，近 二三十年来发展了各种调制光谱方法。所谓调制光谱，就是在测 量光谱的同时，周期性地改变被测半导体样品的实验条件，或者 说施加一个周期性改变的外界微扰参数。这种外界微扰参数可以 是电场、磁场、压力、应力、热扰动、入射电磁波波长和入射光 强等等。这样被测光谱量将有周期性改变。这种周期性改变的绝 对量是小的，但实验表明，如果设法探测这种微扰引起的和调制 对应的光谱特性的周期变化，亦即测量光谱量的导数，那么，调 制光谱对应的光谱图上各种结构的光谱对比度( 即光谱灵敏度和 分辨率) ，比非调制的静态光谱要高得多。如果说静态反射谱和 吸收谱测量的实质是介电函数谱，那么各种调制光谱测量的实质 是介电函数的微商谱。一般说来，调制响应的光谱宽度要比非调 制静态光谱窄2 0 1 0 0 倍，灵敏度也比静态光谱高大约2 3 个 数量级。这种高分辨率和高灵敏度使得有可能不必经过能带计算 即可判断某些临界点的性质，确定其能量的位置。 一4 第三章实验原理 复旦大学硕士论丈 第三章实验原理 1 临界点 按照电动力学知识，在通常情况下，电位移矢量d 和电场强度雷 满足下式： 西= 露其中g - 通常称为介电常数或介电函数。 如果对均匀各向同性介质，忽略其张量特性，简写为占( 山) 。 c ( c o ) = s 。( ) + i 占”( ) 占”( m ) 为介电函数的虚部。 经过计算，由于电子跃迁引起的介电函数虚部为： ( m ) = 篇i 撕i 廊i 万( e 。一、一 m ) ! l m ，l 一，( a ) 其中m ”为跃迁矩阵元，j 。r 是与跃迁能量 m 附近初态满态数和终 态空态数有关的联合态密度。 | f 而苦i 。 当v 。( 。e 、) = 0 时，那么积分号中的分母项为零，因而f 空间中 这样的点对联合态密度的贡献特别大，因此这些点被称作i 占界 点。在这些，临界点，三维晶体的态密度仍保持有限和连续，但其 微分有平方根奇异性。下面我们将会看到正是由于这些临界点的 特殊属性，因此才能通过调制光谱研究这些点的特性1 1 , 2 1 。 皇三兰堇塑 墨兰荃茎婴主笙查 一一u 、 2 反射率 72 荐1 订2 + i k 开是复折射率，满足河! ：孑：占+ 陋” 则反射率r ：f f ：丛：”! ! 二1 2 + 2 蟑+ t ”1 ：】i 生 ( “+ ，”) 1 h ，+ 2 ( s ，+ ! ) 。! l 。! + 1 求r ( ( i ) ) 对，( ) 和，”( ( o ) 的全微分，即得反射比调制的唯象描 述表达式。 r a f r = 口( s ，t ，+ ( 。，”) 其中系数d ，p 是j 夹定介电函数调制行为的决定性参数，称为塞拉 芬系数。由于o 【、p 与介电函数有关，因此知道了材料的光学常数， 就可以计算、b ，从而对光谱结果进行分析【引。 第三章实验原理 复旦大学硕士论文 3 锁相技术 图31锁相技术原理图 前面提到调制光谱实质上测的 是介电函数的导数，那么如何 将导数和实验中的数据直接联 系呢? 这里就不得不提到锁相 技术。当外界微扰加到样品上 时，引起样品表面参数的变化， 从而反射率发生变化。如图3 1 所示： 实线是有外界微扰的情况下的反射率曲线，虚线是没有外界 微扰时的反射率曲线。从示意图中可以看出，在同一波长下，反 射系数的变化，p j a r 是不同的。在临界点附近更明显一点。当 外界微扰周期性变化时，a r 就会有周期性的变化。我们利用锁 相技术，对和外界微扰频率相同的微弱信号进行放大，而对那些 随机的噪声进行抑制，以保证样品信号的获得。而且可以通过位 相的调节，来得到t 陆界点的信息，使临界点的信号最尖锐，从而 分析临界点的能带情况。 第三章实验原理 复旦大学硕士论文 很容易看出，在态密度均匀的地方，调制谱将分平坦光滑， 而在临界点附近调制光谱将显示尖锐的峰，所以，调制光谱真实 的反映了材料的能带结构。 调制光谱和静态光谱相比，有着无可比拟的优越性： 理论研究表明调制谱对应于吸收和反射谱的一阶三阶微 商，所以其结构更加丰富，峰更加尖锐。调制谱上各种结构的光 谱对比度( 光谱灵敏度和分辨率) 都比非调制的静态光谱要高得 多，因此调制光谱所包含的信息也要丰富得多，各种结构的能量 位置的确定就会精确地多。一般来说，调制光谱的峰宽要比非调 制静态光谱的峰宽窄2 0 1 0 0 倍，即从1 0 - i e v 的能量级下降到约 1 0 1 e v 的量级，这么高的分辨率和灵敏度使得有可能不必经过能 带计算即可判定某些临界点的能量位置及其性质，由于使用了先 进的锁相和探测技术，现在用调制光谱方法已经可以探测到小达 1 0 6 量级以下的相对变化 第三章实验原理 复旦大学硕士论文 4 空间调制技术 上述各种调制方法总的来说都可以被称为时间调制。所谓时 间调制就是用一定的调制手段使样品的参数( 如介电常数等) 随 时间作周期性变化。其缺点是在实验中每一种调制器只能作一种 参数的调制，电极只能做电场调制，振动片只能做压力调制等等。 实验条件的改变比较困难，特别是有些参数，如温度，是很难有 效地进行调制的。 为了解决这些问题就产生了一种全新的调制光谱的概念：空 问调制( 微分调- 带q ) 1 6 , 7 8 1 。这是针对过去的调制光谱都是时间调制而 提出来的，所谓空间调制就是利用被测材料的参数在空间分布上 的不均匀达到调制的目的，而参数本身并不随时间而改变。最简 单的实现方法就是让样品作高速的旋转。这相当于探测光在样品 表面的一个圆周上扫描。它的调制器如图3 2 ： 步进马达 图3 2 空间调制扫描装置 第三章实验原理 复旦大学硕士论文 材料参数的空间不均匀性反映在光谱中就是随时问作周期性 变化的信号，这些周期性变化经过锁相放大器的筛选就变成了一 些反映临界点性质的信号。不过这样的空间调制要求样品本身具 有一定的不均匀性，对高质量的半导体材料反而无能为力，这就 限制了这项技术的广泛应用。当然也可以对高质量的半导体材料 施加某种外界的作用使之人为的产生一定的不均匀性，但是要在 高速旋转的样品上实现这种不均匀性就显得相当困难了。解决这 个问题的一个方法就是采用光束扫描空间调制的方法。 所谓光束扫描空间调制法就是将样品不动，靠探测光束在样 品表面作周期性的一维扫描来获得周期性变化的调制信号。其实 就是在原先的调制光谱系统光路中用一个光束调制器取代样品上 的调制器，用它来控制光束在空间作一维扫描时的扫描频率和范 围，这样就实现了探测光束作空间扫描而样品又可以固定不动的 效果，其基本的实验原理如图3 3 所示。 苎兰墨竺璺些 墨兰垄兰塑主笙查 一。v一- 图3 1 3 空间调制基本原理图 兰三主坐堡墨 墨兰垄鲎堡主笙查 一 一 这种方法相比其他现有的调制技术有如下的优点： ( 1 ) 对其他调制技术的包容性 对样品外加各种简单的操作便可能实现电调制，光调制， 磁调制，压强调制，应力调制，热调制等。比如使一部分 样品受到光照即可作光调制光谱，在样品的两端加以应力 差就可以实现压力调制，加以温差就可测热调制谱。一套 光束扫描空间调制光谱系统几乎包含了所有其他调制手 段。 ( 2 ) 实验方便，装置简单 由于样品不动，以上提到的简单操作实施起来很方便，文 献报导过的空间调制光谱因样品作高速转动而无法进行这 些简单操作，又由于实际上不对样品的参数着任何时间上 的调制，从而没有样品制备的问题，时间调制光谱中除了 波长调制和光调制外都涉及到样品的制备。 ( 3 ) 信号强度变化范围大 一般调制光谱r r 小于1 0 对某种调制方法，可能因材 料参数很难调制而得不到测量结果。光束扫描空间调制光 谱信号的大小同扫描的空间范围有关，可以很大，也可以 很小，适合于各种材料。 光束扫描空间调制光谱有以下两个主要的技术关键： 【1 ) 使用什么手段来调制光束在空间的扫描 一l ，一 第三章实验原理 复旦大学硕士论文 在这套装置里，要想使光束在空间扫描，首先必须设法周 期性地改变光的传播方向，其次还要能达到相当地频率才 行，因为锁相放大器只有在比较高的频率下x - 作才比较稳 定。 ( 2 ) 光束调制的补偿问题 因为探测光束在空间中扫描还可能将其他的不均匀成分进 行调制，这种不均匀性产生的信号有时可能会掩盖我们要 测量的信号，因此必须清除。而在其他调制光谱系统中由 于光束都是不动的所以也就不存在这个问题。所以这也就 成为了光束扫描空间调制光谱的一个技术关键 探测光束被空间调制以后经过样品反射，最后再进入光探测 器( 这个实验中采用的是硅光探测器) 以前光束的空间扫描要被 消除掉，至少在光敏面上需要被测光是不动的，这是因为如果入 射光在光敏面上作周期性的扫描，这就很容易将光敏面上的不均 匀也调制到整个光谱里去，特剐是当光敏面比较小的时候，很容 易因为漏光而在输入信号里调制一个方波信号，这对实验结果的 影响时非常大的，因此，在经过样品以后解决光束的补偿问题就 显得十分必要了。 在这套装置中解决光束补偿问题，是利用了透镜成像原理。 如图3 4 所示： 第三章实验原理 复旦大学硕士论丈 b a 图3 4 光束调制的补偿图 八射光 注意要正确放置光探测器光敏面的位置，使光敏面处于透镜 的焦平面上( 位置a ) 这样，无论入射光束扫描与否，光敏面上的 光斑是固定的，这样就可以避免引进不必要的错误调制，因为光 敏面各处对光的敏感度不一定很均匀，如果将光敏面放在b 的会 聚位置，光斑的像点就会在光敏面上扫描，引进错误的调制，给 实验结果带来很大的本底噪音。 虽然进行了补偿，但也同样引进了新的有害的调制信号，因 为透镜事实上也是具有一定的不均匀性，如不同位置处的透光率 可能不一样或是折射率也有差异，这些不均匀性都会或多或少地 一1 d 一 第三章实验原理 复旦大学硕士论丈 调制，从而影响到实验结果，这些因素并不是主要，至少对于本 套实验所需要的精度而言不构成什么问题，但是为了提高精度， 在实验中选用的透镜的均匀性一定要好，并且透光面积要大( 为 了防止漏光) 。 从以上的实验结果可以看出，空间调制反射光谱相对于其他 吸收边的确定方法有以下两个优点： 1 )样品的制备简单 对于荧光光谱法和透射法，它们对于材料的要求都比较高， 荧光光谱法在材料掺杂较重的情况下无法精确测量带边，而在透 射光谱法中要将样品的不透光的衬底去掉并且又使薄膜保持一定 的均匀性也是一件相当困难的事。调制反射光谱对样品无需要什 么特殊处理就可以直接进行测量。 2 )调制反射光谱的灵敏度高： 从以上的实验结果不难看出调制光谱比静态光谱的灵敏度更 高，结构更丰富，更能准确地确定吸收边位置。特别是在静态反 射光谱的测量中，由于薄膜干涉现象的干扰，使得真正的光谱结 构被掩盖，而在空间调制光谱中只要探测光时刻保持平行入射到 样品表面就可以将干涉的影响抑制调。 综上分析，光束扫描空问调制光谱将是一种较其他光谱法更 有效，更简单的半导体材料特性分析的手段，相信，随着实验方 皇三兰兰塞竺堡兰 墨呈垄芏竺堡查 法的进一步改进，这种方法一定会在半导体材料的研究中作出它 的贡献川i 。 关于改进装置的几点设想 除了以上方法，我们还设想过使用声光调制晶体来改变探测 光的传播方向，这种方法因为没有机械部分，所以它的频率可以 做得非常高，一般可以达到m h z 量级，声光调制的原理是：当有 一超声波通过某种均匀介质并在其中形成驻波，就会引起介质密 度的周期性变化，从而导致介质对光的折射率的周期变化，当一 个光束横向通过介质时，介质对光的作用相当于一个光栅，光栅 条纹的间隔等于超声波的波长，如图3 5 所示，光束经过j 汗射以 后，透射光束中出现许多衍射极值。除零级以外，其他级次的衍 射光的衍射角都与超声波的波长有关，因此只要调节超声波的频 率就可以改变出射光的方向。如果这种变化是周期性的，出射光 就可以形成空间扫描，又因为声光晶体的响应非常快，所以它的 调制频率可以做得非常高。 第三章实验原理复旦大学硕士论丈 1 级 0 级 1 级 声光调制晶体 图3 5 新的调制装置图 对空间调制的补偿问题，我们设想过使用光纤进行光束扫描 并同时补偿的方法，它的基本思路是用光纤将单色仪的输出光引 导到样品表面，仔细调节光路使反射光按原路返回，再由分光板 反射进入探测器i5 1 。当光纤靠近样品的一端做往复运动时，就形 成了光束对样品表面的扫描，同时补偿问题也解决了，这一设想 的原理如图3 6 所示。 第三章实验原理 复旦大学硕士论文 样品 图3 6 空间调制的补偿图 这样设计的一个优点是避免了在调制过程中将光路中的不均 匀同时放大，难点是要求光纤与反射光的耦合非常好，而且振动 又非常稳定。 第三章实验原理复旦大学硕士论丈 s 压力调制 在半导体中，其能带结构是随外加应力而变化的。以n 型硅 为例，其导带等能面是极值沿 方向的六个旋转椭球面。当 从x 轴即 方向施加压力，则该方向的晶体被压缩，晶格间 距增大：导致能带结构发生相应变化，禁带宽度随压力的增加而减 小，x 轴能谷底下降，即极值降低，该方向等能面与极值的能值 差增大。y 轴和z 轴能谷底上升，极值升高i 引，等能面与极值的能 值差减小，如图3 7 虚线所示 这样就改变了样品表 o o l 面的性质。当入射光的频 7 率和桌一能级的能量相匹 1 o ，0 t 配时，就会有受激辐射发 卜_ 生。这时的信号会大大增 强，峰值就会显的特别尖 锐。所以就能研究这些能 带的性质。 图37 压力对能谷的影响图 第三章实验原理 复旦大学硕士论文 更加具体的来说压力对半导体能带结构及光吸收边的影响 是通过晶格常数的变化来实现的，随着压力的增加和品格常数的 压缩，半导体导带和价带的电子波函数间的交叠混合情况随之改 变。能带边缘在k 空间的相对位置及不同能谷间的能量差也可以 发生变化。在加压的情况下，g a a s 光谱曲线陡峭上升( 即吸收 系数陡峭上升) 对应的允许直接跃迁吸收边随压力的升高而向高 能方向移动，吸收曲线低能端吸收带尾随压力升高而增强。这表 示从价带顶到导带x 能谷间的带间间接跃迁的开始及其影响的增 强。o k 时能带边缘附近g a a s 的能带结构如图3 8 所示。 k u i 主 07 8 e v 0 3 5 e v - ff il5 2 e v 夼j 审03 0 e v k 兰三i 二塑堕坚 墨兰查芏竺主垒查一一一 。 一 相对于布里渊区原点的价带顶来说，常压下导带最低能量状 态是布里渊区同一位置的f 导带能谷。位于价带顶上1 5 2 e v 处， 在 弓- 向和 方向，也分别存在导带极值，并称为x 能 8 - l 能谷它们分别位于r 附近的最低导带状态以上约o 3 5 e v 和0 3 8 e v 处。g a a s 从价带顶f 到导带能谷x 的能隙随压力的升 高而下降、【1 一x 成为这一半导体材料价带和导带间的最小驰1 h ，* , - e 娶， 它对跃迁吸收的贡献显示出来，并随压力的升高逐步增强，形成 吸收曲线的强的低能带尾。从而导致半导体相应物理性质和光学 性质显著改变。 第三章实验原理 复旦大学硕士论文 参考文献 f 1 1 沈学础著，半导体光学性质，科学出版社，1 9 9 2 牟 【2 】复旦大学半导体教研组编，半导体物理 3 b o s e r a p h i n ，i n ”o p t i c a lp r o p e r t i e so fs o l i d , p 16 3 ，e d b y f a b e l e sa n ds e m i m e t a l s , 9 ，1 ，e d b yr k w i l l a r d s o na n d a c b e e r ，a c a d e m i c ，n e wy o r k ( 】9 7 2 ) 【4 】y h a m a k a w a a n d t n i s h i n o ，i n ”o p t i c a lp r o p e r t i e so f s o l i d s n e w d e v e l o p m e n t s ”e d b yb o s e r a p h i nn o r t h h o l l a n d p u b l ( 19 7 2 ) 5 伍长征等编著，( ( 激光物理学，复旦大学出版社，1 9 8 9 6 】o j g l e m b o c k i b v s h a n a b r o o k ，n b o t t k a ，w t b e a r d ，a n d j c o m a s ，a p p l p h y s l e t t 4 6 ，9 7 0 ( 19 8 5 ) f 7 1p p a r a y a n t h a l ，h s h e n ，f h p o l l a k ，m t o m k i e w i c z ，t j d r u m m o n d ，a n djn s c h u l m a n ，a p p lp b y s 1 。e t t 4 8 ，1 2 6 1 ( 1 9 8 6 ) f 8 1f h p o l l a k ，i ne n c y c l o p e d i ao f m a t e r i a l sc h a r a c t e r i z a t i o n s u r f a c e s ，i n t e r f a c e s ，t h i nf i l m s ，e d i t e db yc e v a n s ，r b r u n d l e ， a n d s w i l s o n ( b u t t e r w o r t h h e i n e m a n n ，b o s t o n ，1 9 9 2 ) ，p 3 8 5 9 m g a l a n dc s h w e ，a p p l p h y s l e t t 5 6 ，5 4 5 ( 19 9 0 ) 1 0 c s h w ea n dm g a l ，a p p l p h y s l e t t 5 7 ，1 9 1 0 ( 1 9 9 0 ) 【11 】p k r a i s i n g d e c h aa n dm g a l ，a p p l p h y s l e t t 6 9 ，1 3 3 5 ( 1 9 9 6 ) 2 2 第四章试验装置 复旦大学硕士论文 第四章实验装置 实验装置主要有两部分。分别为扫描装置和施力装置。前者 的结构如图4 1 ： 图4 1压力调制空间扫描装置图 第四章试验装置复旦大学硕士论文 施力装置如图4 2 所示，整个装置由碳素钢做成，坚固而不 容易变形，以便对样品施加足够的压力。在实验进 f i - 之- 前，先将 样品切割戍长约i5 毫米，宽约6 毫米的矩形形状，并将其放入 施力装置的样品托上，然后缓慢扭动旋钮，逐步对样品施加压力。 整个过程要注意循序渐进，避免突然的加大力量，使易碎的样品 发生断裂。 箜竺兰 试验装置 复旦大学硕士论丈 l 是撑板 r u 应力划口 ，l _ 、_ - p 。 | 扫描光束 样品 堡里堇堕竺茎墨 墨兰垄兰婴主堡查 实验的光路图如图4 _ 3 所示 图4 3 压力调制光路图 2 6 丝鲨竺兰竺 墨兰查兰塑主垒查 一一 一一 第五章实验步骤 1 制备样品 用样品切割刀将样品分割为长约1 5 c m ，宽为0 6 c m 的矩形。 注意样品边缘要平直，这样施加压力时才会均匀。然后用无水乙 醇清洗，不要留下指纹和灰尘。 2 调整光路 首先接通稳压电源。再打开光源电源，点亮卤钨灯。卤钨灯 型号为2 0 0 w ，2 0 v ，有较强的光照并在波长6 5 0 0 a 9 0 0 0 a 范围内 有比较平滑的光谱分布，适合于测量g a a s 的反射谱， 卤钨灯出射的光经透镜汇聚后入射单色仪，然后进入暗室， 成为实验的入射光。实验开始后将单色仪出射光调成人眼最敏感 的绿光，就可以开始在暗室进行对光路的步骤： ( 1 ) 调整光路使入射光经玻璃镜面反射后聚焦在样品表面上。 在操作过程中，要保证样品面和玻璃反射面成直角，这样才 能光程相同，保证入射光一直在样品表面上处于最小光斑状，以 减小实验中由于样品表面不均匀引入的各种误差 第五章试验步骤 复旦大学硕士论文 ( 2 ) 调整光斑扫描的范围 使光斑在样品有压力和无压力的范围内来回扫动，从而获取 样品性质随压力变化的信号。注意使扫描范围的中心处于样品有 压力和无压力的交界处，这样可以获得最大的调制信号。 ( 3 ) 调整硅光探测器的位置。 首先将样品反射的光束投射在一块凸透镜中心，然后将出射 光束聚焦在硅光探测器的光敏面上。注意调整光探测器的位置， 使其光敏面位于透镜的焦平面上。这样才能消除由于光敏面不均 匀带来的错误调制。 ( 4 1 数据处理。 从样品表面反射的光经过透镜再次汇聚后进八硅探测器中， 然后送入锁相放大器和电脑进行相关的处理。为避免交流电波的 影响，震动发生器的频率设定为3 0 h z ，锁相放大器会把输入信号 中随此频率变化的信号挑出并加以放大，最后将结果送入电脑， 得到我们需要的实验结果。 第六章试验讨论 复旦大学硕士论丈 第六章实验讨论 在调整光路的过程中，必须要注意几个地方，否则会引入比 较大的噪音，得不到满意的实验结果。 1 样品表面必须清洁，可以用卫生棉蘸无水酒精擦洗，如果上 面有比较明显的灰尘，对反射光强会有比较大的影响。如图 6 1 所示： 压力架 图6 1 样品表面污渍对实验影响的示意图 在样品a 处有一块污渍，当扫描光束途经污渍时，显然反 射光强会有一个突变，这个突变的频率跟扫描频率相同，将 会被锁相放大器放大。成为错误的调制信号。所以耐心地清 第六章试验讨论 复旦大学硕士论文 洁样品是必不可少的工作。同时要注意不要用手直接接触样 品，移动样品时要使用镊子。 2 二是样品的放置要正直，并且和反射镜成4 5 度角。如果不 满足条件的话，会使光路偏离正常的位置或造成光程差，引 入实验的误差，所以在实验开始的时候，要长时间精确调整 样。的位置。如图6 2 所示： 样品 反哥寸镜 a b 图6 2 样品与反射镜角度关系示意图 从图6 2 中可以看出，当样品和反射角成4 5 。角时，a 光束 和b 光束有相同的光程差，这样，当反射镜前后移动时，扫 描光柬在样品上总是处于聚焦状态，而不会引入额外的错误 调制。如果样品和反射镜不成4 5 。角，显然b 光束经样品反 射后成为c 光束，c 光束的光程和a 光束明显不同，也就 复旦大学硕士论文 是说当反射镜前后移动时，扫描光束有时聚焦，有时不聚焦， 这样反射的光强也就会不同，显然这种不同是与样品本身的 性质无关的，是属于错误的调制，是实验一定要避免的。 3 调整好硅探测器的位置 使其能够稳定的接受到样品表面反射的光信号。因为硅探测 器的表面感光不是很均匀，如果接受的光斑来回移动的话，也会 引入误差。如果将硅探测器的感光面放在透镜的焦平面上，就会 避免这种误差。 第七章试验结果 复旦大学硕士论文 第七章试验结果 l 用压力微分光谱方法测量z n s e 薄膜样品的反射谱。 经反复测量，得出此样品的调制谱图。 如图7 1 ，在4 5 7 0 a 和4 5 9 0 a 处，有两个很明显的尖峰，大 于这两个峰，开始出现干涉条纹，也即是说波长大于4 7 0 0 盖 的光，对于样品已经透明了，很显然这两个尖峰是处于禁带 边上的轻重空穴带形成的。另外在4 4 5 0 二和4 6 5 0 a 处，也 有峰值出现，从理论上判定，前一个峰是由样品的衬底形成 的，后一个峰是由于杂质的掺杂引起的。从样品的已知数据， 我们知道其禁带宽度在4 5 7 0 盖左右，而试验所得的调制谱 中，在4 5 7 0 a 处正好有两个紧挨的峰位。这与事实符合得很 好。可见试验结果正确。 如图7 _ 2 ，能量小于禁带宽度的光，对于样品来说是透明的， 这样当样品厚度小于干涉长度，就有可能出现光的干涉现象，如 果从样品表面和从衬底反射回来的光，光程差为波长整数倍，则 反射光亮度增强，如果相差为半整数倍，则相互削弱。 根据干涉公式： ：2 c s i n 0 ，则 l ：2 d s i 、n o ，e p - t - 涉峰之间距离随波长增 ”n 大而变大。 第七章试验结果 复旦大学硕士论文 “：”墨- ：妒11 生! 】，求出c ，。t ：型。 2 s i n 02s i n 0 2s i n 6 ) ( 1 一五：) 2 s i n 五 a 。 如已知入射角，即可从图中求出样品厚度。 2 用压力微分方法测量g a a s 体材料的调制反射光谱 图7 3 是g a a s 体材料的压力微分反射光谱，可以看出其带 边吸收峰在8 9 0 0 盖图7 4 是g a a s 体材料的静态反射光谱，两张 图对比可以明显看出，调制谱确实比静态谱有着非常明显的优 点。首先锋形尖锐，能够更准确地定出材料本征态之间的跃迁能 级。其次，图形结构丰富，容易发现更多的结构。如禁带边缘的 双峰，用静态谱是无法区分的而由于调制谱是静态谱的一三 阶微商，所以光谱灵敏度和分辨率都高得多，能够用调制谱研究 新的材料，推知其结构。 兰尘三堕兰型塑l 墨兰垄兰翌主堡查 一 一 差 婴 妻 卫 车 蛆 乏 x 积i s t i t l e r 1 | 二= 圣盥兰i x a x i s t i t l e 图7 1z n s e 薄膜的压力微分反射谱 o o o o o c j l 厶 o o 们 o ) o o c j l ( 3 0 o o o ) o o o 第l 章试验结果 l o o l 西 o