一种探测无定形硒电中性缺陷态的方法与流程

本发明属于半导体材料物性检测领域，具体涉及一种探测无定形硒电中性缺陷态的方法。

背景技术：

无定形硒作为一种被广泛应用的半导体材料，对其半导体材料性质的研究一直以来都吸引着人们的广泛关注。其独特的光敏特性和光电子特性使无定形硒在太阳能电池、影印技术、x射线成像以及数字x射线照相术等多种技术应用上都具有非常重要的应用价值。无定形硒在带隙内存在有多种缺陷态形式，比较典型的是具有负关联能的价转换对配位缺陷和二面角畸变引起的本征缺陷等，其中配位缺陷根据配位数的变化会形成带有正或负电荷的深能级缺陷，而二面角畸变缺陷为电中性的浅能级缺陷。这些缺陷态的存在对无定形硒的材料特性有着极为重要的影响，为此精确探测和表征无定形硒的这些缺陷态无疑对其推广应用及其材料新特性开发都有着非常重要的意义。

目前，比较常用的半导体缺陷态探测方法包括稳态和瞬态光电导测试方法、光致电子自旋共振及共振拉曼散射技术等。其中稳态和瞬态光电导测试方法在研究无定形硒缺陷态态密度上比较成功，但是由于该方法依赖于对材料光电导特性测试因而通常在探测带电的缺陷态时才更为有效，而且在低温时无定形硒的宽带隙(1.95ev)所导致的材料良好绝缘特性并不利于精确的电导测试；光致电子自旋共振同样只适用于带电的缺陷态，不能用于电中性的缺陷态的探测，而且电子自旋共振信号的探测需要在低温环境下进行；共振拉曼散射技术虽然是一种研究半导体带间跃迁的有效方法，但是目前该技术对无定形硒缺陷态的探测并未实现。综上所述，对无定形硒的多种缺陷态尤其是对电中性缺陷态的探测技术仍不完善。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种利用压致共振拉曼散射技术探测无定形硒电中性缺陷态的方法，该方法可行性高，简单易行，能够有效地探测到无定形硒的由二面角畸变导致的电中性缺陷态。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种探测无定形硒电中性缺陷态的方法，具体有以下步骤：

步骤s1：将无定形硒样品装进金刚石对顶砧压腔，对样品施加压力；

步骤s2：测量不同压力下无定形硒的拉曼散射信号；

步骤s3：通过分析拉曼散射强度随压力的变化确定缺陷态能级。

进一步地，在步骤s1中，所述的无定形硒样品是体材料无定形硒；在金刚石对顶砧中，利用红宝石荧光法进行原位压力标定；使用250μm厚的t301钢片作为垫片；用体积比为16:3:1的甲醇、乙醇和水的混合溶液作为传压介质。

进一步地，在步骤s2中，选用近红外波段的830nm波长激光作为激发光源；同时探测无定形硒链状分子键拉伸振动模的一阶和二阶拉曼散射峰；保证不同压力下的拉曼散射在相同的激光功率、激发区域和聚焦深度等测试条件下进行。

进一步地，所述步骤s3具体包括以下步骤：

步骤s31：分别得到无定形硒链状分子键拉伸振动模的一阶和二阶拉曼峰散射强度随压力的变化，其中压力范围从0gpa到4gpa；

步骤s32：对所述步骤s31中的数据进行洛伦兹峰位拟合，进而确定相应一阶和二阶拉曼峰的共振压力p1和p2；

步骤s33：利用缺陷态能级随压力的线性变化关系式en＝e0+(de0/dp)pn得到零压下的缺陷态能级e0及其压力系数de0/dp；其中n的取值为1和2，对应一阶和二阶拉曼峰，en为相应的出射激光光子能量，即入射激光光子能量与相应拉曼振动声子能量之差，pn为所述步骤s32中的共振压力p1和p2。

相较于现有的技术，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的利用压致共振拉曼散射技术探测无定形硒电中性缺陷态的方法可行性高，简单易行。

2、本发明提供的利用压致共振拉曼散射技术探测无定形硒电中性缺陷态的方法能够有效地探测到无定形硒的由二面角畸变导致的电中性缺陷态，可以精确测定缺陷态能级及其随压力的变化关系。

附图说明

图1是本发明的实施例中金刚石对顶砧压腔示意图。

图2是本发明的实施例中所使用拉曼散射测试光路示意图。

图3是本发明的实施例中得到的不同压力下无定形硒的拉曼散射数据。

图4是本发明的实施例中得到的无定形硒压致共振拉曼峰散射结果。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。本发明为一种利用压致共振拉曼散射技术探测无定形硒电中性缺陷态的方法。通过精确测定硒无定形硒链状分子键拉伸振动模一阶和二阶拉曼峰的共振压力能够得到无定形硒的由二面角畸变导致电中性缺陷态的能级及其随压力的变的化关系，具体包括如下步骤：

步骤s1：将无定形硒样品装进金刚石对顶砧压腔，对样品施加压力；

步骤s2：测量不同压力下无定形硒的拉曼散射信号；

步骤s3：通过分析拉曼散射强度随压力的变化确定缺陷态能级。

本发明实施例中，所述步骤s1中的样品在金刚石对顶砧压腔中的组装情况如图1所示。在图1中，11为传压介质，12为无定形硒样品，13为红宝石颗粒，14为上加压托块，15为上金刚石压砧，16为t301钢垫片，17为下金刚石压砧，18为下加压托块。所述步骤s1的条件为：样品为体材料无定形硒粉末；金刚石压砧具有良好的透光性，对于从紫外到红外范围内的光都无任何光吸收；利用红宝石荧光法进行原位压力标定；使用250μm厚的t301钢片作为垫片；用体积比为16:3:1的甲醇、乙醇和水的混合溶液作为传压介质；通过上下加压托块对样品施加压力。

本发明实施例中，所述步骤s2中用于拉曼散射测量的实验系统的光路示意图如图1所示。在图2中，21为半导激光器，22为激光，23为激光扩束器，24为样品，25为显微镜，26为瑞利滤光片组，27为狭缝，28为光栅，29为电荷耦合器件探测器。所述步骤s2的条件为：选用近红外波段的830nm波长激光作为激发光源；同时探测无定形硒链状分子键拉伸振动模的一阶和二阶拉曼散射峰；保证不同压力下的拉曼散射在相同的激光功率、激发区域和聚焦深度等测试条件下进行。

具体地，本发明实施例中得到的部分压力下的拉曼散射数据如图3所示。在图3中，实线为压力p＝0.16gpa和0.91gpa时无定形硒链状分子键拉伸振动模的一阶(用a1表示)和二阶(用2a1表示)拉曼峰，其中插图为二阶拉曼峰的放大图。

本发明实施例中，所述步骤s3具体包括以下步骤：

步骤s31：分别得到无定形硒链状分子键拉伸振动模的一阶和二阶拉曼峰散射强度随压力的变化，其中压力范围从0gpa到4gpa。

步骤s32：对所述步骤s31中的数据进行洛伦兹峰位拟合，进而确定相应一阶和二阶拉曼峰的共振压力p1和p2。

步骤s33：利用缺陷态能级随压力的线性变化关系式en＝e0+(de0/dp)pn确定零压下的缺陷态能级e0及其压力系数de0/dp。其中n的取值为1和2，对应一阶和二阶拉曼峰，en为相应的出射激光光子能量(入射激光光子能量与相应拉曼振动声子能量之差)，pn为所述步骤s32中的共振压力p1和p2。

具体地，图4是本发明的实施例中无定形硒链状分子的键拉伸振动模一阶拉曼峰(a1)和二阶拉曼峰(2a1)的压致共振拉曼结果。在图4中，实心圆为a1拉曼峰散射强度随压力的变化关系，空心圆为2a1拉曼峰散射强度随压力的变化关系。实线为相应的洛伦兹峰位拟合结果，p1和p2为分别为通过拟合得到的一阶和二阶拉曼峰的共振中心压力，其中p1＝0.86gpa，p2＝1.02gpa。另外，根据图3中a1和2a1拉曼峰的频移位置以及入射激光波长830nm可分别求出出射激光光子能量e1＝1.467ev，e2＝1.437ev。进而按照步骤s33所述可以解出零压下与共振拉曼散射对应的缺陷态能级e0＝1.64ev以及缺陷态能级的压力系数de0/dp＝-0.19ev/gpa。由于无定形硒的能隙eg＝1.95ev，因此该缺陷态为导带底以下能量为0.31ev的浅能级缺陷，是一种由无定形硒链状分子中二面角畸变而导致的电中性缺陷态。另外本发明得到的该缺陷态能级的压力系数(de0/dp＝-0.19ev/gpa)与能隙的压力系数(deg/dp＝-0.2ev/gpa)是相一致的，说明该缺陷态能级几乎与带隙同步变化。

从上述实施例中可以看出，本发明提供了一种利用压致共振拉曼散射技术探测无定形硒电中性缺陷态的方法，该方法可行性高，具有非常高的测试精度，能够有效地探测到无定形硒的由二面角畸变导致的电中性缺陷态，可以得到该缺陷态能级及其随压力的变化关系。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和成果进行了详尽的说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不限制于本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。