光声光谱技术在半导体纳米材料光学特性检测中的研究

摘要

纳米材料由于其独特的表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应等，而呈现出许多奇异的物理、化学性质，已在冶金、化工、轻工、电子、国防、核技术、航空航天、生命科学、医学等研究领域呈现出极其重要的应用价值。而半导体是导热、导电性能介于导体和绝缘体之间的材料，主要特征是存在能带间隙，带隙结构特征决定着半导体的电学，光学和磁学等性质。半导体材料受到人们的更多关注。由于半导体纳米粉末材料通常是强散射、非透明物质，用传统的吸收光谱法测量纳米晶粉的光谱吸收系数和带隙等参数，会遇到难以克服的障碍。
　　 光声光谱是通过测量物质吸收光后所产生的光声信号，进而反映出样品的物理特性或化学特性等特征信息。由于光声信号与散射光无关，因此特别适用于颗粒、粉末、污迹和混浊液体等强散射物质的光谱检测与分析，在材料科学、生物医学等领域具有广泛的应用。用光声光谱技术测量纳米晶粉的光学特性，具有灵敏度高、普适性强和非破坏性测量等优点，为半导体纳米材料的光学特性研究提供了新的方法和思路。本文主要完成了如下工作：
　　 1.综述了光声光谱理论、发展应用现状和半导体纳米材料光学特性检测常用的谱学分析方法。
　　 2.结合固体光声光谱与半导体能带隙理论分析，得出光声光谱技术检测半导体材料的能带隙的理论根据。
　　 3.用透射电镜和X射线衍射仪表征各半导体样品的形状、大小和结晶情况。
　　 4.调试光声光谱实验系统，测出二氧化钛，氧化锌和氧化铅的光声光谱图，并结合结构表征结果，得到以下实验结论：
　　 （1）相同种类和相同颗粒形状的半导体纳米晶粉的粒径越小，光学吸收系数越大。
　　 （2）纳米材料的粒径越小，能带隙越宽，吸收边蓝移且吸收带宽化。
　　 （3）体材料的能带隙不随粒径的大小而变化，保持为一个稳定值。
　　 （4）掺铝的氧化锌比纯氧化锌的能带隙要宽，且吸收系数要大。
　　 （5）鉴别出间接跃迁与直接跃迁半导体。
　　 （6）区别同一材料（TiO2材料）的不同晶相。
　　 （7）用光声光谱方法测出了红色氧化铅的能带隙为2.3eV。
　　 5.利用光声光谱技术测量半导体材料的光学特性，不需要对半导体材料进行复杂的预处理，为半导体的光学特性检测提供了一种新的快速、简单可行的有效检测办法。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 光声光谱技术概述

1.1.1 光声光谱技术的发展

1.1.2 光声光谱技术的应用

1.2 半导体纳米材料的光学特性测量

1.2.1 半导体纳米材料的光学特性

1.2.2 半导体纳米材料的谱学分析方法

1.3 本文的选题意义及研究内容

第二章 半导体光声光谱理论

2.1 光与物质的相互作用

2.2 固体光声光谱理论

2.3 半导体能带隙光声光谱理论

第三章 归一化光声光谱实验系统

3.1 归一化光声光谱实验系统组成

3.2 归一化光声光谱实验系统的调试与验证

3.2.1 光路调整

3.2.2 单色仪的校正

3.2.3 实验仪器参数的选取

3.2.4 实验系统的稳定性测试

第四章 半导体材料的光声光谱分析

4.1 半导体材料制备方法

4.2 半导体材料的结构表征方法

4.3 半导体材料的光声光谱检测

4.4 样品的光声光谱及XRD、TEM图结果与讨论

4.4.1 ZnO样品的结果与讨论

4.4.2 TiO2样品的结果与讨论

4.4.3 Pb3O4样品的结果与讨论

第五章 全文总结与展望

5.1 全文总结

5.2 展望

参考文献

致 谢