表面电子－声子交互作用光声与表面光伏探测方法

摘要

本发明利用导体和半导体材料表面光声效应与表面光生伏特效应之间的能量互补关系，结合光声光谱和表面光电压谱所得结果，提供一种导体和半导体材料表面电子－声子的交互作用光声与表面光伏探测方法。利用检测结果，可以直接讨论导体、半导体材料表面、亚表面、和界面上电子－声子的交互作用，以及在表面、亚表面和界面上发生的无辐射退激过程的有效通道。本发明具有非接触、非预处理、快速检测和高灵敏度的特点：其灵敏度可达到5×10⁷原子/cm³，一般高于一些标准光谱或能谱，如XPS或Auger电子能谱，几个数量级。本发明试验设备简便，操作可在室温下进行。在室温下可以观察到无辐射退激过程中激子对所产生的光声信号。尤其重要的是，该发明可以提供材料表面、亚表面和界面上的电子－声子交互作用的信息。

主权项

1、一种表面电子-声子交互作用光声与表面光伏探测方法，其特征是：(一)检测：(1)表面光电压谱的检测：①、将未作任何处理的样品(1)放入表面光电压样品池(f)中，样品(1)两面分别与ITO导电玻璃(3)相接触，样品(1)可以是粉末、块体和薄膜不透明材料；②、与受光面和背光面样品(1)接触两端的电极接到锁相放大器(4)的信号输入端；③、受光面和背光面ITO导电玻璃(3)的两极与外加电场(g)相接，外加电场(g)在-10～10伏范围内可调；④、开启光源(a)，光源(a)为500W氙灯光源；⑤、调制单色仪(b)至所要求的波长300-800纳米范围内不同波长的单色光，斩波器(d)的调制频率在10-80Hz范围内选择；⑥、按所要求的波长范围开始扫描，来自锁向放大器(h)输出端的信号由计算机(j)进行模数转换(A/D卡)处理后并绘制成表面光伏响应与波长的关系曲线；⑦、该检测是在常温常压下进行的；(2)光声光谱的检测：①、将未作任何处理的样品(11)放入光声样品池的样品托(10)中，将带有豁口的石英玻璃(12)小心放入样品(11)上面，其豁口与麦克风(16)所在方向一致；②、开启光源(a)，光源(a)为500W氙灯光源；③、调制单色仪(b)至所要求的波长300-800纳米范围内不同波长的单色光；④、斩波器(d)的调制频率10-80Hz范围内选择；⑤、按所要求的波长范围开始扫描；⑥、来自麦克风的光声信号经前置放大器处理后，由计算机(j)进行模数转换(A/D卡)处理并绘制成光声强度与波长的关系曲线，所得强度与波长的关系曲线用碳黑粉在相同波长范围内的光声数据曲线进行归一化处理；⑦、检测是在常温常压下进行。(二)定性说明的物理参数：利用光声与表面光伏效应之间的能量互补关系，结合所测得的光声光谱和表面光电压谱的有关信息，定性解释和说明导体和半导体材料表面电子-声子交互作用：①、根据表面光电压谱在光子能量大于光电阈值波长范围内出现的光伏响应信号，分析产生光生伏特信号的带-带跃迁的性质，当光子能量大于光电阈值时，产生的光伏响应与不同性质的带-带跃迁相对应；②、根据电场诱导的表面光电压谱判断材料的光伏特性。若加入负电场后，样品带-带跃迁所产生的光生伏特信号明显增强，当加入正电场后，光生伏特信号的强度不发生改变或减弱，则说明被测材料具有n-型光伏特性。反之，则具有p-型光伏特性；③、通过实验测得样品的光声光谱与在相同波长范围内未加电场的表面光电压谱进行对比分析，通过表面光伏相应信号强度的对比，判断并确定二者能量的互补关系；④、利用光声信号与表面光伏信号之间的互补关系、产生光声信号的原理、以及不同波长光诱导可能产生的电荷转移跃迁的性质，分析和讨论电子在无辐射退激过程中与声子之间的能量交互作用及特性；(三)定性分析原则：根据测得样品的光声光谱和在相同温度、压力、调试频率和入射光波长范围下测得的样品的表面光电压谱，利用表面光伏响应与光声信号之间的能量互补关系，讨论不同波长对应的光声信号与电子-声子交互作用的定性关系：①、当光子能量等于光电阈值时，由于在这一波长范围光子的能量全部用于光生伏特过程，所以相应的光伏信号(带-带跃迁产生的)较强，而与之相对应的光声信号在这一波长范围内应基本为零，由此明显的看出了两种效应的能量互补关系；②、当光子能量大于光电阈值时，由于在这一波长范围光子的能量部分用于光生伏特过程，多余的能量则释放给晶格导致晶格振动，并产生光声信号。即在光子能量大于光电阈值时产生的光声信号，可归因于带-带跃迁退激过程产生的电子-声子交互作用；③、当光子能量小于光电阈值的带边附近出现一系列光声信号时，可以考虑是由于激子退激过程产生的电子-声子交互作用；④、当光子能量小于带边能量时，若出现一系列光声信号，并伴随光伏信号的消失，应指认为亚带隙电荷转移跃迁的退激过程引起的电子-声子交互作用。