实验六光学性质表征

实验六纳米结构的光学性质表一、实验内容与目1、了解紫外-可见-近红外分光光度计和光致发光测量的基本原理，掌握其基本操作方法。2、了解单色仪、紫外-可见-近红外光源和光度测量的基本原理和操作方法。3、了解金属、半导体纳米结构的光学特征二、实验原理概格及杂质和缺陷等的相互作用而产生光的吸收当材料吸收光子后，其中大部分能量以可见光或近于可见光的电磁波形式发射出来，1、材料中的光吸收过材料的吸收光谱可以半导体为代表来说明其主要特征，包导体材1光谱的一般特征，依波长的不同，可将光吸收分为：基本吸收区：位于紫外-可见光区，或扩展到近红外区。这缓降而在其低能量端吸收系数则迅速下（在十分之几电子伏特间，吸收系数下降了6个数量级Eg（禁带宽度。只有光子能量ηω电子由价带到导带的跃迁，必须满足选择定则：准动量守恒η（k’-k）=光子动式中，k为吸收光子前电子的波矢，k’吸收光子后电子的波矢。满足这一动量选择定则（保持波数（准动量）不变的跃迁为直接跃迁。如果导带的最低能量状态的k值和价带顶的k（在间接跃迁中，动量守恒关系可写η(k’-k)±ηq=光子动q为声子的波矢。因为光子动量0，故η(k’-±号表示电子在跃迁时发射或吸收一个声子。由于声子具有Ep，故跃迁时能量守恒定律可表示为Ef-结构（窄吸收线。自由载流子吸（获得补偿。自由载流子吸收的光谱通常没有精细结构，吸收系数随s而单调上升，s般在1.5~2.5之间晶格吸（10~100μm晶格振动的纵光学支ωLO和横光学支ωTO之间，晶体的消光系数及吸1杂质和缺陷吸2、材料的光发射步骤；①激发：物质中的可激活系统在吸收光子后跃迁到较高能态射系统回复到较低能（一般为基态而发射光子。导带到价带的等于或大于禁带宽度Eg（如Ⅳ族半导体激子的复当具有足够纯度的晶体吸收一个能量大于禁带宽度Eg这个光子会使一个电子由价带跃迁到导带，而在价带留下一个空穴，（称为激子复合量释放出来产生窄的光谱线。能带和杂质能级之间的施主到受主的跃俘获在施主D中的电子与俘获在受主A中的空穴复合而产光等电子中心的跃当基质晶体中一个原子被具有相子价的另一个原子替代时，就形成等电子中心等电子中心一个电子而带负电形成束缚激子，这种束缚激子复合时，可以发射光子。材料中电子-空穴复合时，也可以不发射光子而仅发射声子，这3 光吸收与光致发光光谱的测用于光吸收和光致发光测量的光学系统主要由光源，单色仪样品室，光检测系统和计算机控制系统等部分组成用于光吸收谱测量光源的要求在广泛的光谱区域内发射连续光谱，有足够的辐射强度，光源要具有良好的稳定性，辐射能量随波要是作为波长小于350nm的紫外光部分的光源，而钨灯在波长大于350nm的紫外到可见光和近红外都是有效的光源。在光致发光光谱中，则通常采用氙灯作为光源。它能够在0.2-1.8mm组合，聚焦于样品上或单色仪的狭缝。在光谱学中，获得单波长辐射是不可缺少的。除了用单色光（如光谱灯、激光器、发光二极管单色仪，从连续的宽波长范围（白光）选出窄光谱（单色或单波长）辐射。如图3所示，光源发出的一束复合光线均匀地照射在单色仪的入射狭缝S1上。S1位与离轴抛物镜M1的焦平面上。光经过M1准直成平行光，照射到光栅G上，通过衍射光栅色散为分开的波长，并回到M1，再经过反射镜M2汇聚到出射狭缝S2上。由的分光作用，不同波长离开光栅的角度不同，从出射狭缝出来的光短波长到长波长的单色光子，并使光电子数量借助二次发射，从而得到倍增放大。如图4速后达到第一倍增极D1上，然后又在高速初级电子的激发下，D1产生二次电子发射，这些电子又被电场加速并入射到D2上，激发出更多的二次电子，最后经倍增的光电子被阳极a收集而输出光电流大电路电路放大后转变为电压信号，可通过计算机AD采样直接获得接记录由光电倍增管输出并置放大的光子脉冲，获得与光强对应的光电子的计数率，由此可大幅提高微弱光检测的灵敏度。单光子技术技术为紫外-可见分光光度法测定灵敏度提升的大大优于传统的仿真电压放大。图5给出了光吸收（透射）室的出射狭缝，然后由光电倍增管探测并由计算机记录。又和材料中分子与光子的碰撞几率有关。可以推导出朗伯-比耳定律，即辐射吸收定律：ln(𝐼)=𝐴=∑𝐾𝑖·𝐶𝑖·其中,Io代表进入广西受介质的最初辐射强度，I经过后的辐射强度，A表吸收光度，也就是吸收以后的光强和初始光强比值的对数，Ki代表不同物质分子对某种频率辐射的吸收本领，它是波长的函数，与具体的物质有关，Ci是不同物质的浓度，l是光在各定物质的浓度和吸收池的厚度（或样品的厚度，以吸收光度A（或者透射率T=（I/Io）×100%）对辐射波长作图，就得到物质的吸收光聚焦到单色仪I的狭缝，经单色仪分光后得到预定波长的单聚到单色仪II的狭缝。通过单色仪风光，扫描得到发射光的光谱。在发光测量中，可以通过器进行仿真电压测量，对于弱的发光，也可以采用单光子计数的方式进量。除了光致发光（PL，色仪II测量的是确定波长处的单色发光强度，而通过长，因此，所三、实验方法与步1 实验仪器与材单色仪两台（分光范围：200nm-1000nm光片轮一套，三端口样品室一件，0-1500直流高压电源一台，数据一台，单光子计数器一台，氘灯/钨灯组合光源及配套稳流电源一台，氙灯及配套电源一台，高压灯一台，计算机，石英比色皿，石英玻璃衬底，光学玻璃衬底，滤光片若干，金属纳米客率溶液，半导体纳米颗粒溶液，金属纳米颗粒薄膜。2 实验方法与操作步光谱测阅读单色仪使用说明书熟悉控制软件操按光源-单色仪-探测器的配置连接光学系所测量光谱的影响。光吸收谱的测按图4计。测量石英玻璃的光吸收谱测量滤波片的光吸测量荧光片的光吸四、实验图像与数1、氘灯的发射光谱，蓝线，红线对应的光电倍增管电压分别450V500V由上图可以发现，当电压由450V500V，吸收谱强度的增氙灯的发射也有所损耗。氙灯与氘灯的对比上图中蓝线为狭缝宽度1毫米，光电倍增管电压500V的氘灯发射光谱图；紫色线为狭缝宽度2毫米，光电倍增管电压500V的氙灯吸光度的测换算。五、思考与答:半导体中的光吸收主要包括本征吸收、激子吸收、晶格振动吸 波限，根据两者的适用情形。子，该光电子在电场被加速后打到第一倍增极D1上，然后又在高速初级电子的激发下，D1产生二次电子发射，这些电子又被电场速并入射到D2上，激发出的二次电子，最后经倍增的光电子被阳极a收集而输出光电流。放大电路放大后变换为电压信号，可通过计算机AD采样直接获得光强的信息，电压测量方式。而对于微弱的光，光电倍增管输出的为分立的单光子的光电流技术。单光子计数的原理为经过鉴别技术直接记录由光电倍增管输出并置放大的光子脉冲，获得与光强对应的光电子的计数率，由此可大幅提高微弱光检测的灵敏度。在测量材料的光吸收光谱时，通常采用光源-单色仪-样品-探测光路配置。请问：两种配置方式所测得的材料光吸收谱在何种条件下是等价的，在何时是不同的？答:与材料本身有关 ：sinθ=k𝜆，角度将改变主极大的位置。如果材料不改变入射光的出射角度，则不论哪种配置方式，都由机械旋转控制。但如果材料会改变入射光的出射角度，则材料自身受光致发光的影响。由原理中可以知道，半导体材料吸收光子后可能形成电子-空位对，而电子-空位又有可能发生复合，当这种复合以光子的形式发散出来的时候（即辐射复合材料的光致发光光谱。如果这种材料本身很容易发生光致发光，则采用后一种配置时，其发射谱可能会严重影响到吸收谱，两种配置的结果就变得不一样。请解释氘灯发射光谱尾部的特征峰的形成原答：首先需要理解发射光谱的特征峰的形成原因。原理中已经说能级上跃迁下来的结果导致的。六、其它想缝的宽度来改变光的强度。对于电压，实验中已经验证，强度与电压呈非线性关系，而对于狭缝宽度，可以定性地认为当狭缝宽度增大一倍时，透过的光也增大一倍，因此认为是强度与狭缝大小是线性相关的。可以判断的是，在本实验的要求下，即对于入射光的强度有一定要求时（强度不能太小，此条件是成立的。但事实上，当于夫琅禾费单缝衍射，满足强度分布，如果入射的光源单色性较差（例如氙灯发出的是近白光，则在衍射后就会出现分光现象，即入射到光栅不同位置的可能会是不同频率的光。倘若该光栅为金属，且光栅狭缝宽度在亚波长级别，则需要考虑到异常透射情况（extraordinaryopticalninEOT）,