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1、紫外分光光度计测非晶态氧化锌的禁带宽度紫外分光光度计测非晶态氧化锌的禁带宽度季朋飞 12011001396摘要：本文首先对紫外分光光度计工作原理、分类、结构、优点等作了一些基本的介绍。然后在通过紫外分光光度计对非晶态氧化锌的禁带宽度作了一定的分析，进而让大家对紫外分光光度计有更加全面的了解。关键词：氧化锌，禁带宽度，紫外分光光度计关键词：氧化锌，禁带宽度，紫外分光光度计一 对紫外分光光度计的介绍紫外-可见分光光度法的特点与其它光谱分析方法相比，其仪器设备和操作都比较简单、费用少、分析速度快、灵敏度高 、选择性好精密度和准确度较高、 用途广泛。紫外分光光度计的原理它是利用物质的分子或离子对某一波
2、长范围的光的吸收作用，对物质进行定性分析、定量分析及结构分析, 所依据的光谱是分子或离子吸收入射光中特定波长的光而产生的吸收光谱。按所吸收光的波长区域不同，分为紫外分光光度法和可见分光光度法，合称为紫外-可见分光光度法。物质对光的吸收是选择性的，利用被测物质对某波长的光的吸收来了解物质的特性，这就是光谱法的基础。通过测定被测物质对不同波长的光的吸收强度（吸光度） ，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，得出该物质在测定波长范围的吸收曲线。在吸收曲线中，通常选用最大吸收波长 max 进行物质含量的测定。朗伯-比尔定律是紫外-可见分光光度法的理论基础。朗伯-比尔定律：当一束平行单色光通过含有吸光物质
3、的稀溶液时，溶液的吸光度与吸光物质浓度、液层厚度乘积成正比，即 A= cl 式中比例常数 与吸光物质的本性，入射光波长及温度等因素有关。c 为吸光物质浓度，l 为透光液层厚度。设入射光强度为 I0，吸收光强度为 Ia,透射光强度为 It，反射光强度为 Ir，则 I0= Ia+ It+ Ir 由于反射光强度基本相同，其影响可相互抵消，上式可简化为：I0= Ia+ It 透光度：透光度为透过光的强度 It 与入射光强度 I0 之比，用 T表示：即 T= It/I0 吸光度: 为透光度倒数的对数，用 A 表示即A=lg1/T=lgI0/It。偏离朗伯-比耳定律的因素（1）入射光为非单色光（2）溶液的
4、不均性。 实际样品的混浊，加入的保护胶体，蒸馏水中的微生物，存在散射以及共振发射等，均可吸光质点的吸光特性变化大。 （3）光程的不一致性。光源不是点光源，比色皿光径长度不一致，光学元件的缺陷引起的多次反射等，均造成光径不一致，从而与定律偏离。紫外-可见分光光度计主要部件的性能与作用基本结构:光源单色器吸收池检测器信号显示系统光源：在紫外可见分光光度计中，常用的光源有两类：热辐射光源和气体放电光源 。单色器：单色器的主要组成：入射狭缝、出射狭缝、色散元件和准直镜等部分。单色器质量的优劣，主要决定于色散元件的质量。色散元件常用棱镜和光栅。吸收池：吸收池又称比色皿或比色杯，按材料可分为玻璃吸收池和石
5、英吸收池，前者不能用于紫外区。吸收池的种类很多，其光径可在0.110cm 之间，其中以 1cm 光径吸收池最为常用。检测器：检测器的作用是检测光信号，并将光信号转变为电信号。现今使用的分光光度计大多采用光电管或光电倍增管作为检测器。信号显示系统：常用的信号显示装置有直读检流计，电位调节指零装置，以及自动记录和数字显示装置等。紫外-可见分光光度计的类型按其光学系统可分为单波长分光光度计和双波长分光光度计 1.单波长单光束分光光度计目前国内广泛采用 721 型分光光度计。具有结构简单、价格低廉、操作方便、维修也比较容易，适用于常规分析。单波长单光束分光光度计还有国产 751 型、XG-125 型、
6、英国 SP500 型和伯克曼 DU-8 型等。2.单波长双光束分光光度计。单波长双光束分光光度计有国产 710 型、730 型、740 型、日立UV-340 型等就属于这种类型。3.双波长分光光度计。二 对非晶态氧化锌禁带宽度的测定对Zno的介绍自从Bagnallll 和Tang等观察到ZnO 薄膜的受激紫外发射以来，ZnO迅速引起了人们的关注。ZnO 是一种宽禁带直接带隙半导体材料。其禁带宽度对应于紫外光的波长，有望用来开发蓝光、蓝绿光、紫外光等多种发光器件。ZnO的激子束缚能高达60 meV，且激子不易发生热离化，因此，ZnO是一种室温及更高温度下具有很大应用潜力的短波长发光材料。ZnO
7、薄膜是一种透明的导电薄膜，在很多领域有重要应用，如太阳能电池 、紫外光电探测器、紫外传感器 、场效应晶体管 、发光二极管 、气体传感器等。由于非晶态半导体和晶态半导体有几乎完全相同的短程序，这使两者的基本能带结构相似；但非晶态半导体不具备长程有序使其出现晶态所没有的带尾定域态。且其生长温度低，能降低生产成本，有利于大面积大规模使用。正是由于这些重要的潜在应用价值，这两年来非晶态ZnO薄膜逐渐引起了研究者的重视口。对非晶态Zno的光学性能分析本工作采用溶胶一凝胶法制备了非晶态ZnO薄膜并对其结构和光学性质进行了研究。Khoshman等采用射频磁控溅射技术在Si和石英衬底上制备的非晶态的ZnO薄膜
8、也得到了较高的透射率。BuonoCore等 用光化学方法制备了非晶态ZnO薄膜，同样在可见光区也有很高的透过率。由此可以说明对于非晶态ZnO薄膜，其在可见光区的高透过率与制备工艺无多大关系。非晶态ZnO薄膜表面平滑，无毛孔，无晶界，这也使得光的散射大大减少，因而在可见光区有高的透过率。非晶态ZnO薄膜的吸收系数a可由下式得：T =(1一R)2exp(一ad) (1)。式(1)中，丁为薄膜的透过率，R为薄膜的反射率，d是薄膜的厚度。光学带隙可利用DavidMott模型计算，在高吸收区域有：ahv=D(hv Eg)1/2(2).式(2)中，h是普朗克常数， 是光子的频率，D是常数，E 是光学带隙。
9、(ahv)2 hv 的关系曲线见图4。将其线性部分外延到横轴，在(ahv)2 =0处便可得到光学带隙E 的值。由上述过程，得到了非晶态ZnO薄膜的光学带隙339 eV。这一数值比晶体ZnO 的带隙337 eV稍大一点。可认为这一小的差别主要是非晶态ZnO薄膜的无序结构导致的。虽然非晶态材料缺少长程周期性，但从本质上说电子状态取决于原子之间的成键方式，即取决于短程序 。非晶态ZnO薄膜和晶态ZnO薄膜具有几乎完全相同的短程序，因此它们两者的能带结构应基本相似，但非晶态ZnO由于拓扑学上的无序，势场的无序起伏在价带顶和导带底引起定域的“尾巴态”，即允许态向带隙中延伸形成带尾。非晶态ZnO薄膜在室温
10、下的PL谱见图5。在以往的报道中，晶态ZnO薄膜通常有一个比较强的紫外发光峰和一个宽而弱的可见光发射带，已观察到的可见光发射有紫光 、蓝光 、黄光 、绿光 、红光 。由于制备技术、退火温度、掺杂元素等众多条件都会影响到ZnO薄膜的发光性质，因此各个报道的发光情况也有很大差别。对于紫外光发射，一般认为是带间跃迁或激子复合所致，而可见光发射常与ZnO薄膜的缺陷相联系，如氧空位、锌空位、氧填隙、锌填隙等。但是对于某一颜色的可见光发射，究竟何种因素起主导作用还众说纷纭，尚无定论，这也是有关ZnO材料研究的热点问题之一。在所测试的非晶态ZnO 薄膜的PL谱中，只有中心波长位于384 nm处的近紫外发射峰
11、，而没有观察到可见光发射信号。这与相关文献所报道的结果相似，其PL谱虽然出现了可见光发射，但非常弱，几乎淬灭了。然而，沈华等l1 采用电子束蒸发技术在Si衬底上制备了非晶态的ZnO 薄膜，其PL谱中出现了很强的紫外发射和紫光发射，而且位于519nm处的黄绿光发射也比较强，这可能与他们使用了TiO 作过渡层有关。近紫外发光波长384nm对应于光子的能量为324 eV，这比用透射率计算出来的光学带隙339 eV要小，这个现象可以由斯托克斯(Stokers)效应来解释。图 4图 5光致发光研究表明，用溶胶一凝胶法在玻璃衬底上制备的非晶态ZnO薄膜具有较强的紫外发光性质，而没有观察到可见光发射信号。以上结果表明非晶态ZnO薄膜具有良好的光学性质，在太阳能电池、光电器件、电磁屏蔽材料、薄膜晶体管等领域有潜在应用价值。1徐林华，李相银.非晶态Zno结构及光学性质J.2008,62沈华，史林兴，王青，等制备温度对TiOz基膜表面非晶态ZnO薄膜发光特性影响的研究J应用光学，2007，283陈长乐固体物理学M北京：科学出版社，20074赵文宽.仪器分析 M.北京：高等教育出版社，2001
