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1、第六章 低维和无序体系光谱,超晶格的吸收与发射光谱一维和零维体系光谱非晶体系的吸收光谱非晶体系的发光光谱,低维体系：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（100nm）或由它们作为基本单元构成的材料 按维度分为：二维（2D）、一维（1D）、零维（0D）体系,二维（2D）体系：薄膜、多层膜、超晶格体系-量子阱一维（1D）体系：纳米线、纳米带、纳米管、纳米同轴电缆、异质结与超 晶格纳米线-量子线零维（0D）体系：原子团簇、胶体悬浮颗粒、纳米颗粒-量子点,低维体系,(a)低温（4 K）下将单个的 Xe原子在 Ni 的表面排列出IBM的标识；(b)Fe 原子在 Cu(111)表面构成一个量子栅栏，栅
2、栏内的波纹是由表面态电子的散射引起。,利用扫描隧道显微镜(STM)构造纳米尺度的结构,Block-by-block gorwth of sing-crystalline Si/SiGe superlattice nanowires,Yiying Wu,Rong Fan,and Peidong Yang,Nano Letters,Vol.2(2),83-86,2002,Si/SiGe 超晶格纳米线,下图（FE-SEM像)，纳米带的宽度为100500 nm，厚度在1030 nm之间，长度在10m以上,ZnO:In纳米带,右图（TEM像）：插图是其电子选区衍射（SAED）像；,超晶格的吸收与发射光谱
3、,超晶格的能量状态,X,Z,Y,超晶格多量子阱能带结构示意图,考虑单量子阱情况，即势垒足够厚时,可将单量子阱比拟成单个原子，原子间距大大时，为单一能级，间距减小，单一能级展宽成能带。,电子在Z方向的运动被限制在势阱中，则能量状态为,电子（空穴）在Z方向能量为定域能级，X，Y方向仍为准连续能谱,量子阱的多支抛物线状能谱,超晶格的吸收光谱,量子阱中电子和空穴的态密度为台阶型，其联合态密度也为台阶结构,选择定则：,半导体GaAs态密度和吸收光谱,（a）三维晶体的带间吸收光谱（b）二维台阶状态密度和 三维态密度（虚线）（c）二维体系的带间吸收光谱,台阶上的锐峰为激子吸收峰,为什么？,超晶格GaAs/G
4、a0.8Al0.2As在T=2K时的吸收光谱实验结果随着势阱层的减薄，吸收边蓝移；厚度增加到400nm时，吸收同体材料类似。,以上实验结果和分析的意义,采用近代薄膜技术，可以人工制造量子力学意义上的一维周期性势阱，证明了量子力学关于在势阱中运动的粒子能量的量子化理论；与三维晶体不同，在二维体系中出现了台阶状联合态密度和台阶状吸收光谱，说明有效质量近似在二维体系中同样适用；由于量子尺寸限域效应，二维体系的吸收边比相应的三维固体的吸收边蓝移，这种蓝移量的大小，可通过调节势阱层厚度，也就是通过能带工程来控制。,超晶格的发光光谱,由于量子限域作用：电子-空穴的复合发光效率显著提高电子-空穴易形成激子发
5、光蓝移应用：利用MQW结构，可制备波长可调（尤其是蓝光或紫外波长）和高效发光的LED和LD,GaAs/Ga0.67Al0.33As多量子阱室温下的PL光谱,GaN多量子阱蓝色发光二极管结构示意图,一维和零维体系光谱,量子尺寸效应：一个e-h系统能量，除 T 和 U 外还 应考虑量子尺寸限域能,设晶粒尺寸为R，激子的等效波尔半径为aB=ae+ah,分三种情况：弱限域效应：RaB，Rae，Rah,体系能量主要由库仑作用决定，量子限域作用表现为蓝移效应,体系能量主要由量子限域作用（附加能大）决定，库仑作用看成微扰,e 和 h 尺寸限域效应不同，h在强限域的e中运动，之间发生库仑作用,强限域效应：Ra
6、e，Rah,常见情况：Rah,CdS激子能量随着晶粒尺寸的变化，表现为蓝移,一维和零维体系态密度,一维体系：Nz(E-Eg)-1/2，Nx,y 为 函数，故为须状曲线，光谱为分离谱线,X,Y,Z,零维体系：Nx,y,z 为函数，故为线状结构，光谱为更窄的线谱,一维和零维体系光谱,镶嵌在硅酸盐玻璃中的纳米颗粒在4.2K的激子吸收谱,CuCl纳晶吸收光谱的峰值能量与晶粒尺寸的关系,由于晶粒尺寸有一定分布，故为带谱,弱限域效应,强限域效应,非晶体系的吸收光谱,非晶固体的能带结构,微晶,无规网络,无定型材料的两种结构模型,掺杂和无序引起的带边的演化(a)完整晶体;(b)只有一个局域不完整性的晶体;(c
7、)具有低浓度局域不完整性的晶体;(d)具有高浓度局域不完整性的晶体,形成局域带尾态.,非晶固体的带隙为,非晶固体的吸收光谱,a-Si:H以及纯a-Si和C-Si的吸收光谱,(A)幂指数区 1.8eV 103cm-1(E-Eg)r(B)e指数区(Urbach边)103cm-1(C)弱吸收区 1.4eV 1cm-1,非晶固体的带间吸收（幂指数吸收边-伴随光电导）,考虑体系吸收一个光子，电子:Ei Ef,能量关系,初态态密度,末态态密度,吸收系数为,对于抛物线能带结构，r1=1/2,r2=1/2,间接跃迁的吸收规律？,非晶固体的光学带隙测量,a-Si:H吸收边,Tauc作图法,Klazes作图法,T
8、auc作图法（常用）,取 坐标拟合,Klazes作图法,令r1=1,r2=1,取 坐标拟合,两种方法Eg结果不同!,带-带尾态的吸收（e指数区）,晶体带尾态的形成，重掺杂引起：i:带边形成准连续能级，并进入带内；ii:离化杂质对带边的扰动；iii:杂质产生的形变势能。,光学跃迁示意图,考虑价带到导带尾态抛物线型能带的跃迁,Ep：P型重掺杂引起的费米能级Ei、E：跃迁的初态与末态,价带态密度为,吸收光谱可以用态密度卷积表示,其中,e指数分布的带尾态导致e指数律的吸收边!,带隙态的吸收（弱吸收区）,弱吸收区可归结为带隙态引起的吸收，优化制备条件，可以减少带隙态引起的吸收平台。,非晶体系的发光光谱,非晶体中存在延展态（导带和价带）、局域态（导带尾和价带尾）以及带隙态，发光跃迁与这些状态有关。,:H,不同衬底温度下辉光放电法制备a-Si:H的发光光谱,a-Si:H的发光光谱包括：主峰(1.21.3eV)：带尾态跃迁次峰(0.9eV):带隙态的跃迁,类激子假设：过热的电子和空穴经热均化过程，到达带尾态，重新束缚在一起形成类激子。,辉光放电法制备a-Si:H的光电流密度和发光强度的温度关系,发光强度的温度关系：,v0:晶格振动频率vR:辐射复合几率:无辐射跃迁激活能,a-Si:H光致发光能带示意图,
