半導(dǎo)體，是指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，其具備一定的帶隙(Eg)。一般各占一半導(dǎo)體材料而言，認(rèn)為合適而使用合宜的光激發(fā)能夠激發(fā)價(jià)帶(VB)的電子激發(fā)到導(dǎo)帶(CB)，萌生電子與空穴對(duì)。   

圖1. 半導(dǎo)體的帶隙結(jié)構(gòu)概況圖

在研討中，結(jié)構(gòu)表決性能，各占一半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)測(cè)試非常關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)各占一半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)施行表征，可以經(jīng)過(guò)其電子能帶結(jié)構(gòu)對(duì)其光電性能施行解析。對(duì)于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)施行測(cè)試及剖析，一般應(yīng)用的辦法有以下幾種(如圖2)：

1. 紫外可見(jiàn)漫反射測(cè)試及計(jì)算帶隙Eg；

2. VB XPS測(cè)得價(jià)帶位置(Ev)；

3. SRPES測(cè)得Ef、Ev以及欠缺態(tài)位置；

4. 經(jīng)過(guò)測(cè)試Mott-Schottky曲線獲得平帶電勢(shì)；

5. 通電流通過(guò)負(fù)性計(jì)算獲得能帶位置.

圖2. 半導(dǎo)體的帶隙結(jié)構(gòu)常見(jiàn)測(cè)試形式

一、紫外可見(jiàn)漫反射測(cè)試及計(jì)算帶隙Eg

1.1.  紫外可見(jiàn)漫反射測(cè)試

1）制樣：

環(huán)境測(cè)試著制做樣：往圖3左圖所示的樣品槽中參加數(shù)量適宜的BaSO4面子（因?yàn)锽aSO4面子幾乎對(duì)光沒(méi)有借鑒，可做環(huán)境測(cè)試），而后用蓋玻片將BaSO4面子壓實(shí)，要得BaSO4面子補(bǔ)充整個(gè)兒樣品槽，并壓成一個(gè)最簡(jiǎn)單的面，來(lái)不得凸出和向下陷進(jìn)去，否者會(huì)影響測(cè)試最后結(jié)果。

樣品測(cè)試著制做樣：若樣品較多完全可以補(bǔ)充樣品槽，可以直接將樣品補(bǔ)充樣品槽并用蓋玻片壓平；若樣品測(cè)試不夠補(bǔ)充樣品槽，可與BaSO4面子混合，制成一系列等品質(zhì)分?jǐn)?shù)的樣品，補(bǔ)充樣品槽并用蓋玻片壓平。

圖3. 紫外可見(jiàn)漫反射測(cè)試中的制樣過(guò)程圖

2）測(cè)試：

用積分球施行測(cè)試紫外可見(jiàn)漫反射（UV-VisDRS），認(rèn)為合適而使用環(huán)境測(cè)試樣（BaSO4面子）測(cè)試環(huán)境基線（挑選R百分之百標(biāo)準(zhǔn)樣式），以其為background測(cè)試基線，而后將樣品放入到樣品卡槽中施行測(cè)試，獲得紫外可見(jiàn)漫反射光譜。測(cè)試完一個(gè)樣品后，從新制樣，接著施行測(cè)試。

1.2.  測(cè)試數(shù)值處置

數(shù)值的處置主要有兩種辦法：截線法和Tauc plot法。截線法的基本原理是覺(jué)得半導(dǎo)體的帶邊波長(zhǎng)（λg）取決禁帶寬度Eg。兩者之間存在Eg(eV)=hc/λg=1240/λg(nm)的數(shù)目關(guān)系，可以經(jīng)過(guò)求取λg來(lái)獲得Eg。因?yàn)榈浆F(xiàn)在為止很少用到這種辦法，故不做周密紹介，以下主要來(lái)紹介T(mén)aucplot法。

具徒手體操作：

1）普通經(jīng)過(guò)UV-Vis DRS測(cè)試可以獲得樣品在不一樣波長(zhǎng)下的借鑒，如圖4所示;

圖4. 紫外可見(jiàn)漫反射圖

2）依據(jù)(αhv)1/n = A(hv - Eg)，那里面α為吸光指數(shù)，h為普朗克常數(shù)，v為頻率，Eg為半導(dǎo)體禁帶寬度，A為常數(shù)。那里面，n與半導(dǎo)體類型有關(guān)，直接帶隙半導(dǎo)體的n取1/2，間接帶隙半導(dǎo)體的n為2。

3）利用UV-Vis DRS數(shù)值作別求(αhv)1/n和hv=hc/λ, c為光速，λ為光的波長(zhǎng)，所作圖如圖1.5所示。所得譜圖的縱坐標(biāo)普通為借鑒值A(chǔ)bs，α為吸光系數(shù)，兩者成正比。經(jīng)過(guò)Tauc plot來(lái)求Eg時(shí)，無(wú)論認(rèn)為合適而使用Abs仍然α，對(duì)Eg值無(wú)影響，可以直接用A代替α，但在論文中應(yīng)解釋明白。

4）在origin中以(αhv)1/n對(duì)hv作圖，所作圖如圖5所示ZnIn2S4為直接帶隙半導(dǎo)體，n取1/2)，將所獲得圖形中的直線局部外推至橫坐標(biāo)軸，相交的點(diǎn)即為禁帶寬度值。

圖5. Tauc plot圖

圖6. W18O19以及Mo夾雜W18O19 (MWO-1)的紫外可見(jiàn)漫反射圖和Tauc plot圖

圖7. ZnIn2S4(ZIS)以及O夾雜ZIS的紫外可見(jiàn)漫反射圖和Taucplot圖

圖6與圖7所示是文獻(xiàn)中經(jīng)過(guò)測(cè)試UV-VisDRS計(jì)算相應(yīng)半導(dǎo)體的帶隙Eg的圖。

二、 VB XPS測(cè)得價(jià)帶位置(Ev)

依據(jù)價(jià)帶愛(ài)克斯射線光電子能譜（VB XPS）的測(cè)試數(shù)值作圖，將所獲得圖形在0 eV近旁的直線局部外推至與水準(zhǔn)的延長(zhǎng)線相交，相交的點(diǎn)即為Ev。

如圖8，依據(jù)ZnIn2S4以及O夾雜ZnIn2S4的VB XPS圖譜，在0 eV近旁（2 eV和1 eV）發(fā)覺(jué)有直線局部施行延長(zhǎng)，并將小于0 eV的水準(zhǔn)局部延長(zhǎng)獲得的相交的點(diǎn)即作別為ZnIn2S4以及O夾雜ZnIn2S4的價(jià)帶位置對(duì)應(yīng)的能+羭縷（1.69 eV和0.73 eV）。如圖9為T(mén)iO2/C的VB XPS圖譜，同理可獲得其價(jià)帶位置能+羭縷（3.09 eV）。

圖9. TiO2/C HNTs的VB XPS圖

三、SRPES 測(cè)得Ef、Ev以及欠缺態(tài)位置

圖2.3所示是文獻(xiàn)中經(jīng)過(guò)測(cè)同步輻射光電子發(fā)射光譜(SRPES)計(jì)算相應(yīng)半導(dǎo)體的Ef、Ev以及欠缺態(tài)位置。圖2.3a是經(jīng)過(guò)SRPES測(cè)得的價(jià)帶結(jié)構(gòu)譜圖，經(jīng)過(guò)做直線局部外推至與水準(zhǔn)的延長(zhǎng)線相交，獲得價(jià)帶頂與費(fèi)米能量級(jí)的能+羭縷差值（EVBM-Ef）；該譜圖在接近0 eV處(費(fèi)米能量級(jí)Ef)為欠缺態(tài)的結(jié)構(gòu)，如圖2.3b所示，取將積分平面或物體表面的大小一分為二的能+羭縷位置定義為欠缺態(tài)的位置。圖2.3c是測(cè)得的二次電子的截至能+羭縷譜圖，加速能+羭縷為39 eV，依據(jù)計(jì)算加速能+羭縷與截至能+羭縷的差值，即可獲得該材料的功函數(shù)，進(jìn)一步獲得該材料的費(fèi)米能量級(jí)(Ef)。

圖10. W18O19以及Mo夾雜W18O19 (MWO-1)的SRPES圖以及其帶隙結(jié)構(gòu)概況圖

四、經(jīng)過(guò)測(cè)試Mott-Schottky曲線獲得平帶電勢(shì)

4.1.  測(cè)試辦法

在一定液體濃度的Na2SO4溶液中測(cè)試Mott-Schottky曲線，具體的測(cè)試辦法如下所述：

1. 配備布置一定液體濃度的Na2SO4溶液；

2. 將一定量待測(cè)樣品散布于一定比例的酒精與水混合液中，超聲散布后，將導(dǎo)電玻璃片浸入（注意扼制浸入平面或物體表面的大小）或?qū)⒁欢繕悠返卧谝欢ㄆ矫婊蛭矬w表面的大小的導(dǎo)電玻璃上，待其干燥后可施行測(cè)試（此步驟制樣必須要平均，盡有可能薄。樣品超聲前可先施行研磨，超聲時(shí)可在酒精溶液中加十分細(xì)致量乙基纖維素或Nafion溶液）；

3. 三電極整體體系測(cè)試，電解液為Na2SO4溶液，參比電極為Ag/AgCl電極，對(duì)電極為鉑網(wǎng)電極，辦公電極為具要等待測(cè)樣品的導(dǎo)電玻璃；

4. 在一定電壓范圍(普通為-1 ~ 1 V vs Ag/AgCl)施行測(cè)試，變更測(cè)試的頻率（普通為500、1000以及2000 Hz），獲得相應(yīng)的測(cè)試曲線。具體的設(shè)置界面如圖11和圖12所示。 

圖11. 測(cè)試設(shè)置界面1

圖12. 測(cè)試設(shè)置界面2

4.2.  測(cè)試數(shù)值處置

測(cè)試的數(shù)值改換為txt款式，依據(jù)測(cè)得的數(shù)值可計(jì)算半導(dǎo)體材料的平帶電勢(shì)。對(duì)于半導(dǎo)體在溶液中形成的空間電荷層（耗盡層），可用以下公式計(jì)算其平帶電勢(shì)：

斜率為負(fù)時(shí)對(duì)應(yīng)p型半導(dǎo)體，斜率為正時(shí)對(duì)應(yīng)n型半導(dǎo)體。因?yàn)殡姌O的電容由雙電層電容（Cdl）以及空間電荷電容（Csc）兩局部組成，且

不過(guò)普通Csc <

圖13. 保留的txt數(shù)值

圖14. Mott-Schottky曲線圖

圖15與圖16所示是文獻(xiàn)中經(jīng)過(guò)測(cè)試Mott-Schottky曲線獲得半導(dǎo)體的平帶電位(導(dǎo)帶位置Ev)。如圖15，依據(jù)Co9S8和ZnIn2S4的Mott-Schottky曲線圖，可以獲得Co9S8和ZnIn2S4的平帶電位作別為 -0.75 eV和 -0.95 eV，因?yàn)樾甭蕿檎龝r(shí)對(duì)應(yīng)n型半導(dǎo)體，Co9S8和ZnIn2S4均為n型半導(dǎo)體，可以覺(jué)得其導(dǎo)帶位置為-0.75 eV和 -0.95 eV。如圖16為P-In2O3和C-In2O3的Mott-Schottky曲線圖，同理可獲得其平帶位置。

圖15. Co9S8和ZnIn2S4的Mott-Schottky曲線圖

圖16. P-In2O3和C-In2O3的Mott-Schottky曲線圖

五、經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得能帶位置

對(duì)于純的單二分之一導(dǎo)體，可依據(jù)測(cè)得的禁帶寬度(0.5Eg)來(lái)計(jì)算其導(dǎo)帶和價(jià)帶位置:

價(jià)帶：EVB = X - Ee + 0.5Eg

導(dǎo)帶：ECB = X - Ee - 0.5Eg

那里面，X為半導(dǎo)體各元素的電負(fù)性的幾何均勻值計(jì)算的半導(dǎo)體的電負(fù)性，Ee為游離電子在氫標(biāo)電位下的能+羭縷。 

值當(dāng)注意的是，在半導(dǎo)體存在欠缺還是與其他材料復(fù)合乎時(shí)常，實(shí)際的帶隙結(jié)構(gòu)計(jì)算有可能存在偏差，普通經(jīng)過(guò)面前提到的測(cè)試辦法與該計(jì)算接合運(yùn)用，獲得比較合理的測(cè)試最后結(jié)果。

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