禁带宽度的测量实验报告

禁带宽度的测定一、实验目的1、学习紫外分光光度计的工作原理和使用方法2、学习用紫外分光光度计测量薄膜样品的透射光谱3、能根据吸收光谱推算出材料的光学禁带二、实验内容1、 用紫外分光光度计测量不同厚度的ZnO和TiO薄膜的透射光谱22、 用不同的拟合关系计算出ZnO和TiO样品的光学禁带宽度，并2与理论值比较，定它们的跃迁类型3、 TiO样品在可见光范围内的透射率为什么会出现极大极小的2变化，根据这一变化推算出薄膜的厚度三、实验原理1、 禁带宽度的涵义、禁带宽度表示晶体中公有化电子所不能具有的能量范围、禁带支付表示价键束缚的强弱2、 允许的带间直接跃迁在跃迁过程中波矢改变量Ak=0，这种跃迁为允许带间直接跃迁。这种跃迁满足/z® =Eg g如果假定仅讨论导带底以上价带顶以下较小的能量范围内光吸

2x2x104®—EAcm—1G吸收系数与能量的关系服从1/2次方律。3、禁戒的带间直接跃迁在一些情况中，k=0的跃迁被选择定则AL=±1禁止，而k丰0的跃迁允许，这种跃迁为禁戒的直接跃迁。虽然在k=0徙的跃迁几率为0,但是k丰0处仍存在一定的的跃迁几率，且跃迁几率正比于k2，此时的吸收系数为aG®）=1.3x104 gcm-i由上式可知吸收系数主要由3/2次方律决定4、导带底和价带顶位于波矢空间不同位置的带间直接跃迁和间接跃迁这种情况是指导带底的最低能量状态和价带的最高能量状态不(1)、当加〉E-(1)、当加〉E-E时，只能伴随着声子的吸收过程，吸收系数为GPcG®—E+E>p——1U（力®）=a Gexp(E)exp,芾丿B(2)、对于加〉e+E时，既可伴随着声子的发射，也可伴随着声G P子的吸收。其中伴随一个声子发射的吸收光谱为()c —E—E>UVi®)= Gp-1-exP(答］B以上两式表明间接跃迁系数与入射光子的能量有二次方关系。5、透射率、吸光度与吸收系数之间的关系吸光度A与透射率T的关系为A二lg-T光吸收规律=10eXPJX）a为吸收系数，x为光的传播距离，根据朗伯一比尔定律，A正比于a。四、实验装置双光束此外一可见光光度计，ZnO和TiO薄膜样品2五、实验方法1、 打开分光光度计运行软件，将光谱扫描范围设为190-700nm，扫描步长为1nm，扫描方式为透射率。2、 将两片没有镀膜的干净基片分别放置于参比池和样品池，先做基线扫描，然后将样品池的基片换成镀了腊的基片，进行光谱扫描从而得到透射光谱。3、 通过软件自带的功能将透射率转换成吸光度。4、 根据吸光度与吸收系数的正比关系以及吸收系数与光子能量的关系，拟合出各样品的光学带隙，并与理论值比较。（ZnO的禁带宽度理论值为3.37eV，TiO的禁带宽度为3.2eV）2六、数据记录与处理1、TiO样品数据2TiO光学带隙理论值为3.2eV2先考虑五层样品的跃迁方式:1Q力①与的关系按第一种跃迁方式计算，五层TiO样品的光学带隙为3.18eV，23Q力①与^2的关系按第二种跃迁方式计算，五层TiO样品的光学带隙为3.63eV，2Q九①与Q2的关系按第三种跃迁方式计算，五层TiO样品的光学带隙为3.67eV，2根据图形可认为TiO2样品的跃迁方式为直接跃迁，禁带宽度与«为1/2次方的关系。一层TiO样品2

一层TiO样品的光学带隙为3.23eV，2三层TiO样品21力3与3的关系三层TiO样品的光学带隙为3.30eV，2五层TiO样品2

七层TiO样品21方3与3的关系七层TiO样品的光学带隙为3.42eV，2九层TiO样品21力3与3的关系

九层TiO九层TiO2样品的光学带隙为3.20eV，2、ZnO样品数据ZnO光学带隙理论值为3.37eV先考虑五层样品的跃迁方式1①力①与^2的关系按第一种跃迁方式计算，五层ZnO样品的光学带隙为3.17eV，②3力①与3的关系

a0.80.70.60.50.40.30.20.10.0hva3/2hva3/2ha/eV按第二种跃迁方式计算，五层ZnO样品的光学带隙为3.27eV，③九①与a2的关系按第三种跃迁方式计算，五层ZnO样品的光学带隙为3.29eV，根据图形可认为ZnO样品的跃迁方式为第三种导带底和价带顶位于波矢空间不同位置时的带间直接跃迁和间接跃迁，禁带宽度与a为2次方的关系。

一层ZnO样品九①与a2的关系一层一层ZnO样品的光学带隙为3.24eV，三层ZnO样品九①与a2的关系a0.200.150.100.050.003.03.23.43.63.84.04.24.44.6ha0.200.150.100.050.003.03.23.43.63.84.04.24.44.6ha/eV三层ZnO样品的光学带隙为3.28eV，七层ZnO样品hva2九①与a2的关系hva221.6/1a1.41.21.00.80.60.40.20.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6ha/eV七层ZnO样品的光学带隙为3.29eV，九层ZnO样品hva2九①与a2的关系hva2a3.02.52.01.51.00.50.03.03.23.43.63.84.04.24.44.6ha/eV按第三种跃迁方式计算，九层ZnO样品的光学带隙为3.29eV，七、数据分析对于TiO2样品，由以上的数据可知跃迁方式为直接跃迁，禁带宽度与a为1/2次方的关系薄膜层数—一三五七九禁带宽度3.23eV3.30eV3.18eV3.42eV3.20eV对于ZnO样品，由测量的数据可知跃迁方式为第三种导带底和价带顶位