一种半导体材料能隙中间态能级的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于纳秒时间分辨光谱测量技术领域，尤其涉及一种半导体材料能隙中间 态能级的测量方法。
【背景技术】
[0002] 二氧化钛被认为是光催化和太阳能转换最好的材料之一。但是，由于二氧化钛的 带隙较宽，二氧化钛吸收只在紫外线的范围内，占总太阳光的3-5%，在太阳光谱区域的光 转换效率很低。因此，把二氧化钛吸收延伸到可见光范围是一种提高光转换效率的有效手 段。在二氧化钛中引入缺陷态，不仅可以减少电子空穴复合的几率，还能改变能隙宽度，使 二氧化钛在太阳光谱区拥有高活性。因此，确定缺陷态在能隙中的分布是光催化研宄中十 分重要的问题。
[0003] 电子顺磁共振（EPR)可以表征在二氧化钛中的束缚态电子（Ti3+)和束缚态空穴 (〇_，〇2_)，但是EPR技术并不能检测在导带中的离域电子，因此不能被用来确定束缚态和导 带的跃迀能级；光谱学已被广泛用于检测导带电子，束缚态的电子、空穴和跃迀能级，但是 当前的光谱学实验方法不能提供束缚态有关的初态和终态的位置的信息，而只能确定初态 和终态之间的能量差。因此，迫切需要一种半导体材料能隙中间态能级的测量方法。
【发明内容】
[0004] 因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种半导体材料能隙中 间态能级的测量方法，包括如下步骤：
[0005] 步骤一：采集所述半导体材料在不同激发波长下的动力学数据，并区分导带电子 和束缚态电子的动力学；
[0006] 步骤二：将所述动力学数据取脉冲激发之后的同一时间的值作图，得到所述半导 体材料的禁带激发扫描光谱；
[0007] 步骤三：根据所述动力学数据、所述导带电子和束缚态电子的动力学以及所述禁 带激发扫描光谱，确定所述半导体材料的费米能级；
[0008] 步骤四：根据所述费米能级和所述禁带激发扫描光谱表征所述半导体材料的束缚 态；
[0009] 步骤五：根据所述半导体材料的束缚态绘出所述半导体材料的带隙中间态能级 图。
[0010] 根据本发明的测量方法，优选地，所述半导体材料为锐钛矿型二氧化钛或金红石 型二氧化钛。
[0011] 根据本发明的测量方法，优选地，在步骤一中，使用时间分辨瞬态红外吸收动力学 采集装置采集所述动力学数据。
[0012] 根据本发明的测量方法，优选地，所述时间分辨瞬态红外吸收动力学采集装置包 括用于获得激发光的激发光源和用于获得探测光的探测光源。
[0013] 根据本发明的测量方法，优选地，所述激发光源的输出波长为410nm-2630nm，并且 连续可调。
[0014] 根据本发明的测量方法，优选地，所述探测光源为红外光源。
[0015] 根据本发明的测量方法，优选地，所述红外光源的输出波长为4.78ym或 6. 25um〇
[0016] 根据本发明的测量方法，优选地，在步骤三中，通过找到所述动力学从蓝区到红区 的相变点确定所述半导体材料的费米能级。
[0017] 根据本发明的测量方法，优选地，在步骤四中，表征所述半导体材料的束缚态包括 表征所述费米能级下方的深束缚态以及表征所述费米能级上方的浅束缚态。
[0018] 本发明能够确定费米能级的位置并且系统地表征半导体材料的中间态能级，从而 指导光催化剂的设计朝着实用化、高效化的方向发展，最终在人类日常生活里得到普及。
【附图说明】
[0019] 以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
[0020] 图1为根据本发明的时间分辨瞬态红外吸收动力学采集装置的结构框图；
[0021] 图2为根据本发明的测量半导体材料能隙中间态能级的流程图；
[0022] 图3为根据本发明的第一实施例的激发波长分别为410nm、500nm、600nm、709nm* 800nm的瞬态红外吸收动力学数据；
[0023] 图4为根据本发明的第一实施例的激发波长分别为1000nm、1100nm、1200nm和 1300nm的瞬态红外吸收动力学数据；
[0024] 图5为根据本发明的第一实施例的探测波长为4. 78ym的延迟时间为250ns的锐 钛矿型Ti02禁带激发扫描光谱，其中的小图为700-1000nm区域的放大图；
[0025] 图6为根据本发明的第一实施例的激发波长为880nm和890nm的瞬态红外吸收动 力学数据；
[0026]图7为根据本发明的第一实施例的锐钛矿型Ti02禁带中间能级图；
[0027] 图8为根据本发明的第二实施例的探测波长为6. 25ym的延迟时间250ns的锐钛 矿型Ti02禁带激发扫描光谱；
[0028] 图9为根据本发明的第三实施例的探测波长为4. 78ym的延迟时间250ns的金红 石型Ti02禁带激发扫描光谱；
[0029] 图10为根据本发明的第三实施例的金红石型Ti02禁带中间能级图。
【具体实施方式】
[0030] 为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实 施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并不用于限定本发明。
[0031] 在本说明书中，"动力学数据"是指激发光照射样品前后，样品的吸光度的差值 AOD随时间的变化曲线。其中吸光度OD=lg(入射光强/透射光强）。
[0032] 下面将结合附图详细描述本发明的优选实施例。
[0033]图1示出了时间分辨瞬态红外吸收动力学采集装置，包括：
[0034] 1)激光源1为纳秒短脉冲Nd:YAG激光器，优选为Spectra-Physics公司的 Quanta-Ray激光器，用于产生波长为355nm的脉冲激光，脉冲重复频率为10Hz，单脉冲能量 可达25mJ，脉冲宽度为10ns;
[0035] 2)光学参量振荡器2作为激发源，优选为Spectra-Physics公司的 GWUPremiScan-ULD/240,输入脉冲重复频率为10Hz、波长为355nm的激光脉冲，输出单波长 连续可调脉冲激光（信频光410-709nm，闲频光710-2630nm)，并且连续可调，到达样品的光 斑直径4mm;
[0036] 3)滤光片3,用于获得单一波长的激发光，不同波长的激发光用不同的滤光片， 410nm-710nm的激发光优选地用KG5型滤光片，710nm-2300nm的激发光优选地用RG715型 滤光片；
[0037] 4)格兰棱镜4,用于调节到达后面提到的样品池处的激发光能量；
[0038] 5)第一聚焦透镜5,优选地为直径25. 4mm的氟化钙透镜，焦距是300mm，用于将激 发光聚焦至样品；
[0039] 6)探测光源6为量子级联激光器，优选地为DaylightSolutions公司的输出波长 为4690-4880nm的TCL-11088型激光器，输出4780nm的连续激光，到达样品的光斑直径约 1_，用于探测被激发的样品中的光生载流子；
[0040] 7)线栅7,用于调节到达后面提到的样品池处的探测光能量；
[0041] 8)第二聚焦透镜8,优选地为直径25. 4mm的氟化钙透镜，焦距是300mm，用于将探 测光聚焦至样品；
[0042] 9)样品池9为真空反应器，优选地由不锈钢制成，所有接□都是规格为CF70 (70mm 外径）的法兰连接件。两个观察窗为0.1英寸厚的〇&匕窗，这个样品池的真空度可达 106mbar；
[0043] 10)信号采集系统10,包括探测器、前置放大器、低通滤波器、示波器和电脑，经过 样品池9的探测光进入液氮冷却的碲镉汞探测器，输出的电流信号经过一个DC-lOOMHz的 前置放大器放大，然后经过0-100MHZ低通滤波器的滤波输入到数字示波器中，之后采用 labview数据采集软件实现纳秒-秒量级的数据采集进入电脑中进行数据