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禁带宽度的测量
实验十四禁带宽度的测量
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NO和770?
薄膜的透射光谱
2、用不同的拟合关系计算出NO和770,样品的光学禁带宽度,并与理论值比较,定它们的跃迁类型
3、770,样品在可见光范围内的透射率为什么会出现极大极小的变化,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
(1)、禁带宽度表示晶体中公有化电子所不能具有的能量范围
(2)、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A^=0,这种跃迁为允许带间直接跃迁。
这种跃迁满足
h叭=Eg
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
收过程,对于导带与价带都是抛物线的并且非简并的情况有
£
a(力劲心2><104(方❻—丘)cm~[
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,斤=0的跃迁被选择定则AL=±1禁止,而茴的跃
迁允许,这种跃迁为禁戒的直接跃迁。
虽然在斤=0徙的跃迁几率为0,但是k^Q处仍存在一定的的跃迁几率,且跃迁几率正比于此时的
吸收系数为
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在斤空间同一位置而发生直接跃迁。
(1)、当hco>E.-Ep时,只能伴随着声子的吸收过程,吸收系数为
(2)、对于hco>Ex+Ep时,既可伴随着声子的发射,也可伴随着声子的吸收。
其中伴随一个声子发射的吸收光谱为
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
光吸收规律
1=I。
exp(-ax)
&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Q。
四、实验装置
双光束此外一可见光光度计,和770,薄膜样品
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lnm,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。
(勿O的禁带宽度理论值为3.37eV,Ti02的禁带宽度为3.2eV)
六-
ZnO三层
hv(eV)
五层
一层
3.5
TiO2
CQ光学带隙理论值为3.2wU
一层
误差为+0.94%
haeV
按第三种跃迁方式计算,误差为+16%
三层
按第一种跃迁方式计算,误差为+3.1%
按第二种跃迁方式计算,误差为+16%
五层
误差为-0.63%
按第一种跃迁方式计算,
按第三种跃迁方式计算,误差为+15%
七层
3.03.23.43.63.84.04.24.44.6
ha,eV
按第二种跃迁方式计算,误差为+18%
九层
按第一种跃迁方式计算,误差为+0%
ha/eV
按第二种跃迁方式计算,误差为+14%
按第三种跃迁方式计算,误差为+20%
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