10-第9讲-材料光电性能测试技术

第9讲材料光电性能测试技术,中南大学物理与电子学院先进材料超微结构与超快过程研究所2015-05-26,主讲：周聪华,内容提要,一、概述二、紫外可见光分光光度计三、荧光分光光度计四、四探针测试系统五、霍尔效应测试仪六、参考文献与课后习题,CompanyLogo,一、概述,1.1透光性能,OLED:有机发光二极管,OLED平板电视（LG）:超薄-1mm,CompanyLogo,薄膜太阳能电池,触控屏,一、概述,1.1透光性能,电阻,迁移率,一、概述,1.2导电性能,OLED平板显示器功耗：电阻,高速计算：高响应速率，需要高迁移率,CompanyLogo,四探针测试系统霍尔效应测试仪半导体参数测试仪,光电性能-1:透光性能,紫外可见光分光光度计荧光分光光度计,光电性能-2:导电性能,一、概述,1.3测试方式,二、UV-Vis分光光度计,2.1仪器结构,北京谱析PU1800,测试模式,紫外可见光分光光度计光路图（透过率测试模式）,二、UV-Vis分光光度计,2.1仪器结构,1）透过率T%,2）反射率R%,3）吸光度,二、UV-Vis分光光度计,2.2工作模式,银纳米线薄膜透过光谱,FTO透明导电薄膜透过光谱,二、UV-Vis分光光度计,2.3透过率（T%）,导带,价带,禁带宽度Eg,hvEg,二、UV-Vis分光光度计,2.4材料光学带隙,FTO透明导电薄膜透过光谱,ln(1/T)2,（ln(100/T)）2hv,Eg=3.6eV,二、UV-Vis分光光度计,2.4材料光学带隙,CompanyLogo,摩尔吸收系数：描述材料对不同波长光波的吸收能力,二、UV-Vis分光光度计,2.5摩尔吸收系数,摩尔吸收系数,溶液厚度,溶液浓度,朗伯-比尔定律：,二、UV-Vis分光光度计,2.5摩尔吸收系数,N3染料在不同波长处的Abs随浓度的变化曲线,N3染料吸收光谱（浓度梯度）,二、UV-Vis分光光度计,2.5摩尔吸收系数,测试：DSSCs-染料载负量,染料敏化太阳能电池,叶绿素:光合作用,二、UV-Vis分光光度计,2.5摩尔吸收系数,DSSC结构示意图,典型的TiO2纳米晶多孔薄膜,二、UV-Vis分光光度计,2.5摩尔吸收系数,CompanyLogo,三、荧光分光光度计,3.1荧光现象,CompanyLogo,三、荧光分光光度计,3.1荧光现象,CompanyLogo,荧光：某些物质受到照射后发出能量较低的光，一旦光照停止，光线也立即消失，称为荧光。入射光和发射光频率之差称为斯托克频移。满足上述条件即为荧光。因此荧光范围比较宽，从X射线到红外光谱区。其他的能量如（化学反应、加热、生物代谢等）也会有荧光。生活中很多现象都与荧光相关。如：钞票防伪，日光灯管，萤火虫发光。,三、荧光分光光度计,3.2原理,荧光产生原理示意图,三、荧光分光光度计,3.2原理,CompanyLogo,某些物质受到光照射，除吸收某种波长的光之外，发射出比原来所吸收光的波长更长的光光致发光（二级光）。,光致发光PL,荧光分析法是根据物质的荧光谱线的位置及其强度进行物质鉴定和含量测定的仪器方法。,三、荧光分光光度计,3.3PL谱,(1)激发光谱,表示不同激发波长下引起物质发射某一波长荧光的相对效率。,激发光谱绘制：固定发射波长，然后以不同波长入射光激发荧光，以荧光强度F对激发波长作图，即为激发光谱。,荧光分子的两个特征光谱：激发光谱和发射光谱（荧光光谱）。,激发光谱曲线最高处，处于激发态的分子最多，荧光强度最大,三、荧光分光光度计,3.3PL谱,(2)最大激发波长ex,CompanyLogo,(3)荧光发射光谱（PL谱）,荧光光谱表示在所发射的荧光中各种波长组分的相对强度。绘制发射光谱时，使激发光波长固定在ex处，然后对发射光谱扫描，测定各种波长下相应的荧光强度，以荧光强度F对发射波长作图，得发射光谱图（即荧光光谱）。,3.3PL谱,三、荧光分光光度计,3.3PL谱,三、荧光分光光度计,CompanyLogo,四面光比色皿,三、荧光分光光度计,3.4仪器结构,CompanyLogo,四个部分激发光源、样品池、双单色器系统、检测器特殊点有两个单色器，光源与检测器通常成直角,单色器：选择激发光波长的第一单色器和选择发射光(测量)波长的第二单色器光源：氙灯、高压汞灯、激光器(可见与紫外区)检测器：光电倍增管,三、荧光分光光度计,3.4仪器结构,CompanyLogo,光源,激发单色器,样品池,检测器,发射单色器,检测器,荧光是散射谱，所以一般在垂直入射方向接收。背景没有入射光，是“暗背景”，因此灵敏度高。,三、荧光分光光度计,3.4仪器结构,四、四探针测试仪,透明导电薄膜Transparentandconductivefilm,薄膜电阻:sheetresistance,4.1方阻,已知厚度，可以测量电阻率,四、四探针测试仪,4.1方阻,CompanyLogo,四探针法测量原理图,(a)、四根金属探针排成一直线时，并以一定压力压在半导体材料上;(b)在、两处探针间通过电流I;(c)、探针间产生电位差V。,四、四探针测试仪,4.2测试原理,CompanyLogo,材料电阻率,式中：S1、S2、S3分别为探针与，与，与之间距，用cm为单位时的值，S1=S2=S3=1mm.每个探头都有自己的系数。C6.280.05单位cm。若电流取I=C时，则V，可由数字电压表直接读出。,探针系数,(1),(2),四、四探针测试仪,4.2测试原理,CompanyLogo,块状和棒状样品外形尺寸与探针间距比较，合乎于半无限大的边界条件，电阻率值可以直接由（）、（）式求出。,（a）块状和棒状样品体电阻率测量：,四、四探针测试仪,4.2测试原理,CompanyLogo,簿片样品因为其厚度与探针间距比较，不能忽略，测量时要提供样品的厚度形状和测量位置的修正系数。,（b）薄膜（片）电阻率测量,四、四探针测试仪,4.2测试原理,CompanyLogo,电阻率值可由下面公式得出：,0为块状体电阻率测量值W：为样品厚度（um）S：探针间距（mm）G(W/S)为样品厚度修正函数，可由附录IA或附录1B查得；D(d/S)为样品形状和测量位置的修正函数，可由附录查得。W/S0.5时，实用。当圆形硅片的厚度满足W/S0.5时，电阻率为：,四、四探针测试仪,4.2测试原理,四探针测试仪,四、四探针测试仪,四、四探针测试仪,4.3样品要求,CompanyLogo,厚度b,宽为a的导电薄片，沿x轴通有电流强度I，当在y轴方向加以匀强磁场B时，在导电薄片两侧,产生一电位差,，这一现象称为霍耳效应,RH-霍耳系数,五、霍尔效应测试仪,5.1测试原理,CompanyLogo,带电粒子在磁场中运动受到洛仑兹力,q0,此时载流子将作匀速直线运动，同时两侧停止电荷的继续堆积，从而在两侧建立一个稳定的电势差,五、霍尔效应测试仪,5.1测试原理,CompanyLogo,q0时，RH0,(2)q0时，RH0,五、霍尔效应测试仪,5.1测试原理,CompanyLogo,霍耳效应的应用,2、根据霍耳系数的测定载流子的浓度。3、根据半导体电导率公式，结合四探针电阻率的测量结果，可以确定半导体迁移率,N型半导体载流子为电子P型半导体载流子为带正电的空穴,1、确定半导体的类型,五、霍尔效应测试仪,5.1测试原理,电阻率、载流子类型、载流子浓度，迁移率等电学性能,五、霍尔效应测试仪,5.2仪器结构,六、参考文献与课后思考题,1DongB.-Z.etal,JournalofAppliedPhysics101,033713(2007),参考资料,思考题,1，如果有一瓶色素分子稀溶液，知道分子结构，但不清楚浓度，可以采用什么方法测量浓度？说明方法与步骤。,2，对于一块半导体薄膜样品，如何测量其电阻率、载流子类型与浓度、迁移率？,3，荧光分光光度计与紫外-可见光分光光度计