讯阳文艺网红外分光光度计
简介：材料的结构影响其性能，对半导体材料的结构进行表征，可以通过其电子能带结构解析材料的光电性能，因此对半导体材料的能带结构测试十分关键。本文简述了紫外可见近红外分光光度计（UV-VIS-NIR）的基本原理、仪器结构及其在半导体材料带隙分析中的应用。1. UV-VIS-NIR仪器简介
紫外可见近红外分光光度计（UV-VIS-NIR）可覆盖UV-VIS-NIR全波段光谱范围，实现紫外、可见光和近红外波段的连续扫描，可测量固体/液体样品在紫外-可见-近红外范围内的特征吸收，可用于研究玻璃镀膜样品吸收/透射或反射光谱，还可研究粉末样品在整个紫外可见近红外范围的吸收谱图，广泛应用于半导体、光学元件、建筑材料、新型材料等行业。
图1 电磁波谱及紫外可见近红外光区
1.1 基本原理
● 能级跃迁理论分光光度法从宏观来看是利用物质对不同波长光的选择吸收特性而建立的分析方法。从微观角度，基于分子内电子的跃迁而产生吸收光谱。原子或分子的外层电子在未受光照射之前，电子能量均处于最低能级，称之为基态，当电子吸收光的辐射，产生电子能级的跃迁，形成吸收光谱。电子跃迁的能级差决定了吸收光谱的波长及位置，因此吸收曲线（峰形、峰位、峰数）可以作为物质定性分析的依据。
图2 电磁波吸收与分析能级变化
● 朗伯比耳定律
当一束平行单色光通过均匀的溶液时，其吸光度与溶液的浓度和光程的乘积成正比。
图3 LAMBERT-BEER定律
1.2 仪器结构
● 光源
光源的作用是提供激发能，使待测分子产生吸收。要求在整个紫外光区、可见光区和近红外光区发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。在可见光区及近红外光区一般使用钨灯作为光源，波长范围320-3300nm；在紫外区一般使用氘灯作为光源，波长范围185-320nm。● 单色器
单色器是将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出任一波长单色光的光学系统。包括入射狭缝、准光装置、色散元件、聚焦装置和出射狭缝。● 样品室包括液体样品室和固体样品室，液体样品室中放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件，固体样品室中放置固体的（除粉末外）薄膜、块状、片状等样品，粉末样品压片后放置在积分球出光口一侧。● 检测器
利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用光电池、光电管或光电倍增管。紫外及可见光区采用PMT检测器，范围195-860.9nm，近红外区采用PbS检测器，范围860.9-3300nm。
● 显示器
图 4 Lambda 750 紫外可见近红外分光光度计
2. 半导体材料的带隙
半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。采用合适的光能够将半导体材料内的价带（VB）电子激发到导带（CB），产生电子与空穴对，导带的最低点和价带的最高点的能量差即为半导体的带隙，也称能隙或禁带宽度。
图5 半导体带隙示意图
带隙越大，电子由价带被激发到导带越难，本征载流子浓度就越低，电导率也越低。因此窄带隙半导体材料因其具有优异的吸光性能广泛应用于光催化、光电子和太阳能电池等领域。
3. UV-VIS-NIR半导体材料带隙分析方法
3.1 截线法
基本原理是认为半导体的带边波长λg和禁带宽度Eg之间存在数量关系Eg(eV)=hc/λg=1240/λg(nm)，可以通过求取λg来得到Eg，文献中不常见，用来初步判断材料的带隙范围。
图6 带隙计算-截线法
3.2 Tauc plot法
文献中常采用Tauc plot法计算带隙。图7 Tauc plot公式
图8 以直接半导体为例的带隙计算
4. 应用案例
4.1 太阳能电池
图9 太阳能电池带隙结构分析
4.2 石墨烯量子点（GQDs）
图10 石墨烯量子点（GQDs）带隙结构分析
5. 结语
紫外可见近红外分光光度计具有185-3300nm的光源及检测范围，可对液体、粉末、薄膜、织物等材料进行紫外可见近红外光区的吸收、透过和漫反射等光学信号的测量及分析。本文提供了紫外可见近红外分光光度计在半导体材料领域内分析其带隙结构的思路，为进一步研究半导体材料或器件的光电性能提供支撑和依据。
