化合物半導體材料光電特性測試分析

陳子昂

南京大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京 210023

0 引言

光電過程是指在光輻射作用下，材料發生電化學反應的過程，即在光作用下，材料中的固體、離子、分子等物質由于吸收了光能，從而處于激發狀態，在此種條件下產生的電子與電荷將發生傳遞與轉移[1]。文章研究的化合物半導體材料是指由兩種或以上金屬元素，以固定原子配比組合方式形成的化合物質，此種物質具有固定的禁帶寬度與常規半導體物質的性能。目前，市場材料研究領域中有關相關化合物半導體材料的研究較多，現有的化合物半導體材料種類也相對較多，不同的材料，其性質各異[2]。此類材料在我國經濟市場內已基本實現了廣泛應用。盡管化合物半導體材料的使用優勢已十分突出，但關于此種材料的化學性能研究在我國市場內仍存在留白。因此，文章將在相關研究成果的基礎上，以某化合物半導體材料為例，研究此材料的光電特性[3]。以期更加深入地掌握化合物半導體材料的化學性能，為其在市場不同領域中的推廣使用提供進一步的指導與幫助，發揮材料在實際應用中的價值與效能。

1 資料與方法

1.1 實驗對象的制備

為實現對化合物半導體材料光電特性的性能分析，首先在實驗進行中將去離子處理的水、乙醇、鹽酸以及正硅酸乙酯等物質，按照一定的摩爾比充分混合攪拌，并確保攪拌后各物質均勻分布在溶液當中。按照上述操作得到所需的溶液后，向溶液當中添加活性物質[4]。在實驗當中，可選用鎘、鋅等材料，將其溶于上述制備的混合溶液當中。在混合同時，添加適量的催化劑，使其快速發生反應，并完成對溶膠酸堿性的調節。在充分攪拌一段時間后，確保其充分混合均勻。將上述制備溶液放入培養皿當中，經過溶膠和凝膠的過程，最終老化、干燥。45～60 d 后，得到所需的干凝膠材料。將干凝膠進行熱處理，將其中含有的有機物去除，最后將其與硫化氫氣體進行氣固反應，最終得到實驗所需的化合物半導體材料，將這一材料作為實驗研究對象。

1.2 實驗材料與設備

在實驗過程中，除了制備化合物半導體材料所需的清水、乙醇、鹽酸等實驗材料，為了得出實驗對象光電特性的特點，還需要利用相應的儀器設備，測定其性能參數。實驗過程中所需的儀器設備包括X 射線衍射儀、光度計等。選用XRD-Terra-476980 和XRD-Terra-2350 型號的X 射線衍射儀。XRD-Terra-476980 和XRD-Terra-2350 型號X 射線衍射儀均具備結構穩定、使用壽命長、應用范圍廣、無線傳輸等應用優勢，能夠為實驗提供更高精度的數據[5]。在運行過程中，兩種X 射線衍射儀的工作電壓均為220 V，可存儲240 GB 的數據，精度為-0.1%。利用上述兩種X 射線衍射儀可實現對化合物半導體材料樣本的結構分析，并對其周圍環境條件以及相關有機化合物進行分析。實驗過程中，光度計選用754PC-460 型號紫外可見分光光度計，該型號光度計具備1 200 L/mm 紫外光柵和C-T 單色器結構[6]，在實驗過程中可擴展至10 cm 樣品架。754PC-460 型號紫外可見分光光度計性能參數記錄如表1 所示。

表1 754PC-460 型號紫外可見分光光度計性能參數記錄

1.3 實驗方法

將上述制備的化合物半導體材料放入實驗環境中，并利用XRD-Terra-476980 型號X 射線衍射儀和XRDTerra-2350 型號X 射線衍射儀對實驗對象的結構進行測定和分析，再針對化合物半導體材料的非線性光學性能進行實驗測試研究。在得到實驗對象光學性能的基礎上，對其在接電線路當中的導電情況進行分析，記錄通電時實驗對象的電流密度，以此對其光電轉換效率進行探究。將制備的化合物半導體材料以陣列的形式排布，并在X 射線衍射儀的照射下降解持久性的污染物質，在這一過程中不考慮電催化的降解過程，只針對實驗對象本身的性能進行探究。根據上述步驟，記錄各個操作得到的數據，并根據數據變化對化合物半導體材料的光電特性進行探究。

2 實驗結果分析

2.1 吸光與透射光譜

在根據上述實驗方法完成實驗后，通過X 射線衍射儀測定得出化合物半導體材料為立方結構，材料的微晶晶粒大小在幾納米到幾十納米，實驗過程中還在材料當中發現了大量的活性物質。在經過高溫加熱處理后，隨著溫度的上升和氣體反應時間的加長，實驗對象的微晶晶粒逐漸增大，以此可初步得出：通過控制溫度和氣體反應時間可以實現對化合物半導體材料微晶晶粒尺寸大小的控制。

在上述論述基礎上，對化合物半導體材料的吸光性進行探究，并分析通過X 射線衍射儀得到的透射光譜。實驗對象實驗過程中的吸收值如表2 所示，吸收值為實驗對象與參考樣品之間的吸收差值。

如表2 所示，可以看出，在不同持續時間條件下，化合物半導體材料的吸收值存在較大差異，并且在波長增加的過程中，各個時間條件下化合物半導體材料的吸收值變化均呈現出先增加后降低的趨勢。為了更加直觀地展示波長變化下化合物半導體材料吸收值的變化特點，給出如圖1 所示的變化趨勢圖。

表2 實驗對象吸收值記錄表

圖1 化合物半導體材料吸收值變化

2.2 光電的協同作用

在完成對化合物半導體材料的吸光與透射光譜等光學性能的分析后，對材料的光電協同作用的特性進行探究。在暗態、可見光和紫外光三種不同照射條件下化合物半導體材料電機的電流與電壓變化數據如表3 所示。

表3 化合物半導體材料不同照射條件下電流與電壓表

條件I 為暗態照射條件；條件II 為可見光照射條件；條件III 為紫外光照射條件。如表3 所示，隨著電壓的增加，在三種照射條件下，化合物半導體材料的電流均呈現出逐漸增加的趨勢，并且增加幅度基本相同。

2.3 電流密度與光電轉換效率

在下列實驗中，選取多個試件，對不同材料的電流密度進行對比，普通半導體材料與化合物半導體材料的電流密度對比結果如表4 所示。普通半導體材料與化合物半導體材料的光電轉換效率對比結果如圖2 所示。如表4 所示，化合物半導體材料的電流密度明顯高于普通半導體材料的電流密度，說明其光電化學性能更優。如圖2 所示，與上述制備的化合物半導體材料相比，普通半導體材料的光電轉換效率明顯更低[7]。

表4 普通半導體材料與化合物半導體材料電流密度對比 單位：A/cm2

圖2 光電轉換效率對比

3 實驗結果討論

3.1 波長變化分析

根據實驗數據可知，在化合物半導體材料當中各個物質含量保持不變的情況下，隨著反應時間的不斷增加，吸收邊會向著長波方向移動，并且結合表2 中的數據可以看出，反應時間越長，化合物半導體材料的吸收值最高值越高。同時，隨著波長的不斷增加，各個反應時間下，化合物半導體材料的吸收值均呈現出明顯的先增加后降低的趨勢。最后，若波長繼續延伸，則化合物半導體材料的吸收值變化將逐漸趨于平緩，無限接近于零。

3.2 吸收光譜特點分析

在實驗過程中發現，對于化合物半導體材料而言，其吸收光譜具有以下幾方面特點：第一，在反應時間不變的情況下，隨著實驗樣品當中活性物質含量的不斷增加，吸收邊會向著長波方向轉移；第二，在活性物質含量相同的情況下，氣體反應時間的不斷增加，材料的吸收邊會向著長波方向不斷移動。除此之外，對實驗樣品的禁帶寬度進行分析，其微晶的禁帶寬度都會比相應半導體材料的禁帶寬度更大。

3.3 光電協同作用分析

在對化合物半導體材料的光學性能進行分析后，針對其光電特性進行探究，對材料光電的協同作用進行深入分析。結合上述表3 中的數據可以看出，隨著照射條件的不斷優化，化合物半導體材料的電流與電壓增加幅度逐漸增大。在相同電壓條件下，三種條件下化合物半導體材料的電流始終呈現出條件I 電流＜條件II 電流＜條件III 電流的關系。

3.4 光電轉換效率分析

在實驗過程中，通過對普通半導體材料與化合物半導體材料的電流密度進行對比可知，文章上述制備的化合物半導體材料與半導體材料相比，電流密度增加了3 倍以上，光電轉換效率也得到了明顯提升。因此，實驗結果證明，化合物半導體材料的光電轉換效率更快，通過光電協同作用能夠提高材料的光電特性，使其光電化學性能進一步提升[8]。

4 結束語

當前各類化合物半導體材料憑借其獨特的應用優勢，已經成為光電化學領域的研究重點。文章通過實驗對化合物半導體材料的光電特性進行探究。實驗結果表明，化合物半導體材料在實際應用中通過光電的協同作用，進一步地提升了材料的光學性能。在光電化學性能研究中，可以通過偏壓的方式可實現對光電協同作用的分析，以此達到提升光電轉換效率的作用和目的。