粒子與固體相互作用

1、阻止截面LSS理論：在入射離子能量很低的情況下，核能量損失也比電子能量損失小得多。一般情況下，中能和高能輕離子入射，只考慮電子阻止能力。核碰撞在靶中產(chǎn)生不同的效應(yīng)，如輻射損失問題，需要集中討論核阻止截面。入射離子為重離子，速度較低時，能量可以從入射粒子通過兩原子核屏蔽電荷之間的靜電相互作用傳給靶原子核。濺射固體表面受到離子轟擊時，發(fā)生復雜的能量轉(zhuǎn)移，從而發(fā)射各種粒子，如原子、分子、電子和光子，若發(fā)射的是電子則為二次電子發(fā)射；若發(fā)射的是較重粒子或原子團，則為濺射。一個入射離子同固體表面層原子碰撞，把能量轉(zhuǎn)移給原子核，如果轉(zhuǎn)移的能量大于原子處在晶格位置的束縛能，就產(chǎn)生反沖原子。初反沖原子再同其他靶

2、原子碰撞，并通過級聯(lián)碰撞把能量配給它們。如果轉(zhuǎn)移給表面一個原子的能量使其反沖速度的方向有垂直于表面的分量，并大于表面束縛能，則這個表面原子被濺射出來，常用升華熱近似表示它，而升華熱比產(chǎn)生穩(wěn)定位錯（固體內(nèi)部的輻射損失）所需的位移能量小。輻射損失效應(yīng)主要是中子、電子或高能輕離子輻照固體引起的，這時能量轉(zhuǎn)移給靶原子截面小而粒子在固體中的射程大。表面區(qū)域的碰撞級聯(lián)稀少，濺射產(chǎn)額低。from - 粒子與固體相互作用熱釋光熱釋光:英文Thermoluminescence；簡稱TL 有時也被譯作熱致光、熱發(fā)光，是一種冷發(fā)光現(xiàn)象：一些晶體（例如礦物質(zhì)）在被加熱時，原來吸收并儲存在晶格缺陷中的電磁輻射或其他電離

3、輻射會以光子的形式釋放出來。該現(xiàn)象不可與黑體輻射（也可稱為熱發(fā)光）混淆。常見應(yīng)用有熱釋光測年法。簡介是指深陷阱中的電子由于熱激活而釋放到導帶，從而發(fā)生復合發(fā)光的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是一次性的，也就是固體在受輻射作用后，只有第一次被加熱時才會有光被釋放出來。在以后的加熱過程中，除非重新再接受輻射作用，否則將不會有發(fā)光現(xiàn)象。詳細內(nèi)容物理機制 晶體接受高能輻射之后，產(chǎn)生電子激子激發(fā)態(tài)。在一些材料中，這種激發(fā)態(tài)被缺陷俘獲或禁錮（trapped or arrested）在晶格中而未得到釋放，但這些能級并不穩(wěn)定。當加熱晶體時，被俘獲的激發(fā)態(tài)重新與晶體聲子作用，回到低能級，從而輻射光子。這種輻射機制與黑體輻射機制

4、不一樣。自然環(huán)境中存在天然放射性元素，所以處于自然環(huán)境中的晶體（缺陷晶體）一般都接受天然輻射作用而存在釋光現(xiàn)象。發(fā)展20 世紀50 年代，美國W isconsin大學的Daniels將材料的熱釋光特性用于輻射劑量的測量。 最初使用的氟化鋰熱釋光材料具有很高的靈敏度,但是其熱釋光性能不穩(wěn)定。 后來，研究人員相繼開發(fā)了具有更優(yōu)異熱釋光性能的L iF：Mg，Ti 和LiF：Mg， Cu， P ，目前氟化鋰系列材料仍是熱釋光劑量學上應(yīng)用最廣泛的材料。應(yīng)用新型材料隨著科研和生活的需要,對熱釋光劑量學材料的要求(如較寬的線性劑量響應(yīng)范圍、高靈敏度、重復使用性好等)逐漸提高，研究人員又開發(fā)了CaSO4：Mn

5、， CaF2 ：Mn，Li2B4O7 ：Cu，MgSiO4 等新型熱釋光材料。陶瓷斷代對于陶瓷來講，其中含有大量的礦物晶體，如石英、長石和方解石等，這些晶體長期受到核輻射（如、和）的作用，積累了相當?shù)哪芰?，因此若把陶瓷加熱，將可觀察熱釋光現(xiàn)象，熱釋光的強度與它所接受的核輻照的多少成正比。由于陶瓷所受的核輻射是來自于自然環(huán)境和陶瓷本身所含的微少的放射性雜質(zhì)（如鈾、釷和鉀40等）。其放射性劑量相對恒定，因此熱釋光的強度便和受輻時間的長短成正比。在陶瓷的燒制過程中原始的熱釋光能量都會因高溫而全部釋放掉，就象是把TL時鐘重新拔至零點。此后陶瓷重新積累TL信號，所以最后所測量得到的TL信號，是與陶瓷的燒

6、制年代成正比，這就是熱釋光斷代的基本原理。聲子用來描述晶格的簡諧振動，量子化的彈性波最小單位，并不是一個真正的粒子，聲子可以產(chǎn)生和消滅，屬于玻色子，服從玻色子愛因斯坦統(tǒng)計。聲子是一種非真實的準粒子，描述晶體原子熱振動晶格振動規(guī)律的一種能量量子，能量等于q，當晶體中的載流子運動時，會遭受到熱振動原子的散射（靜止原子并不散射載流子），它們交換能量將以q為單元進行，若電子從晶格振動獲得q能量，就稱為吸收一個聲子；若電子交給晶格q能量，稱為發(fā)射一個聲子。系統(tǒng)中聲子的數(shù)目與溫度有關(guān)：因為溫度越高，晶格振動越劇烈，能量量子數(shù)目就越多，即聲子數(shù)也就越多。因此隨著溫度上升，聲子散射載流子的作用也就越顯著。弛豫

7、原子核從激化的狀態(tài)回復到平衡列狀態(tài)的過程叫弛豫過程。（from youdao）紫外線波長10-400nm布拉格峰是指能量峰，重離子束進入身體后不會馬上大量釋放能量，只有在重離子停下來的位置才會釋放其大部分能量，形成一個尖銳的能量峰-布拉格峰色心color center透明晶體中由點缺陷、點缺陷對或點缺陷群捕獲電子或空穴而構(gòu)成的一種缺陷。它的存在引起附加的光吸收帶，使晶體著色。這種吸收光波的基本單位，稱為色心。但點缺陷本身并非色心，只有當點缺陷締合一個自由電子或一個自由空穴時，才是一個吸收光的基本單位。如堿鹵化合物晶體對可見光是透明的，且具有正負離子兩個子晶格，兩者都可出現(xiàn)空位和空位復合物，它們

8、俘獲電子或空穴而構(gòu)成新缺陷，引起附加光吸收使晶體著色，這種新缺陷即為色心。晶體的主要特征是其中原子或分子的規(guī)則排列，實際晶體中原子的排列綜上或多或少偏離嚴格的周期性。晶體中的原子作微振動時破壞了周期性，因而晶體中傳播的電子波或光電波會受到散射，晶體的電學性質(zhì)或光學性質(zhì)隨即發(fā)生變化。在熱起伏過程中，晶體的某些原子振動劇烈，脫離格點跑到表面，在內(nèi)部留下了空格點，即空位；脫離格點的原子進入晶格的間隙位置，形成填隙原子。外來的原子（雜質(zhì)）進入晶體后，可以處在間隙位置上，成為填隙式的雜質(zhì)，也可以占據(jù)空位而形成替位式原子。在一個或幾個晶格常數(shù)的線度范圍內(nèi)引起晶格周期性的破壞，統(tǒng)稱為晶體中的點缺陷。微觀的點

9、缺陷會在晶體中吸收光波，使得晶體呈現(xiàn)各種各樣的顏色，這些顏色中心成為色心。點缺陷影響晶體的力學、電學、熱學、光學等方面的性質(zhì)。堿鹵化物如果沒有色心，在紫外到紅外的區(qū)段是完全透明的。色心的出現(xiàn)可以使晶體著色。通過以下方式使晶體著色：1.摻入化學雜質(zhì)，在晶體中形成吸收中心；引入過量金屬離子，形成負離子空位，正電性的負離子空位束縛住從金屬原子電離的電子，形成可見光的吸收中心；2. X射線、gamma射線、中子或電子轟擊晶體形成損傷，使晶體產(chǎn)生點缺陷，可以束縛電子或空穴形成可見光的吸收中心3. 電解過程。F色心自由電子陷落在陰離子空位中形成的一種缺陷稱為F色心，由于陷落的電子可以吸收一定波長的光而得名

10、。F：一個氧空位捕獲兩個電子F+：一個氧空位捕獲一個電子；靶濺射：濺射指金表面原子從靶中脫離的現(xiàn)象。當一個級聯(lián)反沖給靶原子一個大于其表面結(jié)合能的能量時，原子可能會被濺射。實際發(fā)生濺射時，原子穿過表面時它垂直于表面方向的動能必須大于表面結(jié)合能。表面濺射以濺射率描述，定義為每個入射離子所能濺射出的平均靶原子數(shù)。濺射率=濺射出的原子數(shù)/入射離子數(shù)表面結(jié)合能的值可能隨著輻照而變化。因為濺射使得靶變得粗糙并伴有損傷，而較為粗糙的靶會有較小的表面結(jié)合能。當靶變粗糙時，由于每個表面原子電子束縛減弱，濺射率上升。靶損失過程中不同的部分定義如下：位錯：一個載能入射粒子將一個晶格原子撞擊出它初始位置的過程空位：一

11、個空的晶格位置（沒有原子）。一開始所有的晶格位置都被占據(jù)，然后位錯過程產(chǎn)生了空位。填隙原子：晶體中的原子被撞擊出原有的位置并停留在固體中。當入射到固體中的離子停留在固體中時，也被視為填隙原子。碰撞復位：填充了空位的和初始原子相同的新原子。唯一可以讓空位可以被復合的機制。位錯能：將一個靶原子從晶格中的位置撞擊出足夠遠的距離使其無法迅速回位所需的最小能量。這個最小能量產(chǎn)生一個弗倫克爾對，即一個空位和一個臨近的填隙原子，這是離子產(chǎn)生損失中最基本的一種類型。晶格束縛：將一個原子從晶格中移除出來所需的最小能量?？朔娮邮`并將原子從晶格中移位出來是需要能量的，因而這部分被轉(zhuǎn)移到反沖原子中的能量被丟失了。

12、晶格結(jié)合能必然小于錯位能。表面束縛能：靶表面的原子在靠近表面一端未被束縛，因而將其從晶格位置中移除出來所需的能量相比在固體內(nèi)部被其他原子包圍時要小。一個表面原子具有更少的電子束縛需要被打破。濺射對表面束縛能比較敏感。復位碰撞：如果入射原子與它撞擊的原子是相同的元素，那么入射粒子可能會將其能力轉(zhuǎn)移給靶原子，將它撞擊出晶格位置，而入射原子將會占據(jù)靶原子在晶格中的位置，成為復位碰撞。錯位=空位+復位碰撞空位+復位原子=填隙原子+（離開靶空間的原子）電導率介質(zhì)中該量與電場強度之積等于傳導電流密度，也成為導電率。用來描述物質(zhì)中電荷流動難易程度的參數(shù)，電阻與電導率的關(guān)系，G=1/R。藍移最大吸收波長向短波

13、長方向移動，美國貝爾實驗室在硒化鎘中發(fā)現(xiàn)隨著離子尺寸減小光顏色從紅變成綠進而藍，把這種發(fā)光帶顏色從紅變綠進而藍或吸收由長波移向短波長的現(xiàn)象稱為藍移。拉曼散射一定頻率的激光照射到樣品表面時，物質(zhì)中的分子吸收了部分能量，發(fā)生不同方式和程度的振動（原子或化學鍵的擺動和扭動），然后色散出較低頻率的光。頻率的變化決定于散射物質(zhì)的特性，不同原子團振動方式是唯一的，因此可產(chǎn)生特定頻率的散射光，其光譜稱為“指紋光譜”。拉曼光譜是入射光和分子相碰撞時，分子的振動能量和轉(zhuǎn)動能量和光子能量疊加的效果。利用拉曼光譜可以把處于紅外區(qū)的分子能譜轉(zhuǎn)移到可見光區(qū)來觀測。直接帶隙半導體導帶邊和價帶邊處于k空間相同點的半導體通常

14、稱為直接帶隙半導體，如GaAs, InP, InSb等。性質(zhì)當價帶電子往導帶躍遷時，電子波矢不變，在能帶圖上即是豎直躍遷，意味著電子躍遷過程中，動量可保持不變，滿足動量守恒。如果導帶電子下落到價帶（電子與空穴復合）時，也可保持動量不變-直接復合，不需要聲子來接受或提供動量。因此，直接帶隙半導體中載流子的壽命比將很短。直接復合可以把能量幾乎全部以光的形式放出（沒有聲子參與，沒有把能量交給晶體原子）發(fā)光效率高（發(fā)光器件多采用直接帶隙半導體制作）。間接帶隙半導體導帶邊和價帶邊處于k空間不同點的半導體通常稱為間接帶隙半導體，形成半滿能帶不只需要吸收能量，還要改變動量。如Ge, Si等。性質(zhì)直接帶隙半導

15、體中電子在躍遷時k值發(fā)生變化，電子躍遷前后會極大的幾率將能量釋放給晶格，轉(zhuǎn)化為聲子，變成熱能釋放。另外，間接型躍遷，導帶的電子需要動量與價帶空穴復合，因此難以產(chǎn)生基于再結(jié)合的發(fā)光。想讓間接帶隙材料發(fā)光，可以采用摻雜引入發(fā)光體，將能量引入發(fā)光體使其發(fā)光。半導體的發(fā)展第一代Si材料，進入微電子領(lǐng)域，但帶隙較窄，電子遷移率和擊穿電場低，在光電子和高頻高功率器件受到限制。第二代GaAs，進入光電子領(lǐng)域第三代，GzN材料p型摻雜，SiC和ZnO等寬禁帶材料，具有強度大，耐高溫，耐缺陷，不易退化等優(yōu)點。激子在半導體中，如果一個電子從滿的價帶激發(fā)到空的導帶上去，則在價帶內(nèi)產(chǎn)生一個空穴，而在導帶內(nèi)產(chǎn)生一個電子

16、，從而形成一個電子-空穴對?？昭◣д?，電子帶負電，它們之間的庫侖吸引互作用在一定的條件下會使它們在空間上束縛在一起，這樣形成的復合體稱為激子。在光躍遷過程中，被激發(fā)到導帶中的電子和在價帶中的空穴由于庫侖相互作用，將形成一個束縛態(tài)，稱為激子。通?？煞譃槿f尼爾（Wannier）激子和弗倫克爾（Frenkel）激子，前者電子和空穴分布在較大的空間范圍，庫侖束縛較弱，電子“感受”到的是平均晶格勢與空穴的庫侖靜電勢，這種激子主要是半導體中；后者電子和空穴束縛在體元胞范圍內(nèi)，庫侖作用較強，這種激子主要是在絕緣體中。激子對描述半導體的光學特性有重要意義自由激子束縛在雜質(zhì)上形成束縛激子。激子束縛能大，說明自

17、由激子容易和雜質(zhì)結(jié)合形成發(fā)光中心。激子效應(yīng)對半導體中的光吸收、發(fā)光、激射和光學非線性作用等物理過程具有重要影響，并在半導體光電子器件的研究和開發(fā)中得到了重要的應(yīng)用.與半導體體材料相比，在量子化的低維電子結(jié)構(gòu)中，激子的束縛能要大得多，激子效應(yīng)增強，而且在較高溫度或在電場作用下更穩(wěn)定。在半導體吸收光譜中，本征的帶間吸收過程是指半導體吸收一個光子后，在導帶和價帶同時產(chǎn)生一對自由的電子和空穴.但實際上除了在吸收帶邊以上產(chǎn)生連續(xù)譜吸收區(qū)以外，還可以觀測到存在著分立的吸收譜線，這些譜線是由激子吸收引起的，其能譜結(jié)構(gòu)與氫原子的吸收譜線非常類似.激子譜線的產(chǎn)生是由于當固體吸收光子時，電子雖已從價帶激發(fā)到導帶，

18、但仍因庫侖作用而和價帶中留下的空穴聯(lián)系在一起，形成了激子態(tài).自由激子作為一個整體可以在半導體中運動.這種因靜電庫侖作用而束縛在一起的電子空穴對是一種電中性的、非導電性的電子激發(fā)態(tài).與氫原子一樣，激子也具有相應(yīng)的基態(tài)和激發(fā)態(tài)，但其能量狀態(tài)與固體中的介電效應(yīng)和電子空穴的有效質(zhì)量有關(guān).實際上，固體中的激子態(tài)可用類氫模型加以描述，并按此模型很好地估算出激子在帶邊下分立能級的能態(tài)和電離能?？偟膩碚f，寬禁帶的半導體材料，激子束縛能較大，而激子玻爾半徑則比較小.而禁帶較窄的材料，其激子電離能較小，激子玻爾半徑則較大。激子效應(yīng)對半導體中的物理過程和光學性質(zhì)具有重要的影響.激子的吸收和復合直接影響半導體的光吸收

19、和發(fā)光，而且，作為固體中的一種元激發(fā)，其狀態(tài)與母體材料的電子能帶性質(zhì)和外場的作用緊密相關(guān).此外，自由激子在半導體中可以受到雜質(zhì)或缺陷中心在空間上的束縛，形成所謂的束縛激子。其吸收譜線能量位置略低于自由激子的吸收譜線.激子在電中性缺陷上的束縛過程大致可分為兩種，它可以是一個自由激子整體地受到缺陷中心的束縛，也可以是一個電荷（電子或空穴）首先被缺陷的近程勢所束縛，使缺陷中心帶上電荷,然后再通過庫侖互作用（遠程勢）束縛一個電荷相反的空穴或電子，形成束縛激子.束縛激子在半導體發(fā)光中有非常重要的地位.在間接帶半導體材料中，由于動量選擇定則的限制，材料的發(fā)光通常是很弱的，但如果存在束縛激子，其波函數(shù)在空間

20、上是局域化的，因而發(fā)光躍遷的動量選擇定則大大放松，無須聲子參與就可能具有很大的發(fā)光躍遷幾率.這樣，間接帶材料的發(fā)光效率將大大增強。例如，在間接帶-族半導體材料磷化鎵（GaP）中，通過摻入族氮原子（或同時摻入能形成施主受主對的鋅和氧），發(fā)光就可大大增強，其原因就是因為氮在晶格中代替磷位，是一種電中性的替位式等電子雜質(zhì).這種雜質(zhì)中心由于其電負性與主晶格原子不同，原子尺寸不同等原因，在晶格中會產(chǎn)生作用距離較短的近程勢，并使激子束縛在其位置附近形成束縛激子.實驗上，在摻氮的GaP中已觀測到單個氮原子以及成對氮原子所引起的很強的束縛激子發(fā)光，這類摻雜方法已成為制造GaP和GaAsP等可見光發(fā)光二極管的基

21、本工藝。激子是由庫侖作用結(jié)合在一起的電子空穴對，其穩(wěn)定性取決于溫度、電場、載流子濃度等因素.當樣品溫度較高時，激子譜線由于聲子散射等原因而變寬.而當kT(k是玻爾茲曼常數(shù)）值接近或大于激子電離能時，激子會因熱激發(fā)而發(fā)生分解.所以，在許多半導體材料中，只有低溫下才能觀測到清晰的激子發(fā)光，而當溫度升高后，激子譜線會展寬，激子發(fā)光強度降低，以至發(fā)生淬滅.另外，在電場的作用下，電子和空穴分別向相反方向運動，因而當半導體處于電場作用下時，激子效應(yīng)也將減弱,甚至由于電場離化而失效.而當樣品中載流子濃度很大時，由于自由電荷對庫侖場的屏蔽作用，激子也可能分解.這些影響激子穩(wěn)定性的物理因素在光電器件應(yīng)用中，可以

22、作為對激子效應(yīng)和相關(guān)的光學性質(zhì)進行可控調(diào)制的有效手段.但對發(fā)光和激光器件來說，特別是對一些需要在室溫下大濃度注入條件工作的器件來說，將產(chǎn)生一些不利的影響，使激子效應(yīng)的應(yīng)用受到限制.總的來說，當激子束縛能較大時，激子相對比較穩(wěn)定.如在寬禁帶半導體材料（如-族化合物材料和氮化物）以及下面要更詳細討論的半導體量子阱等低維結(jié)構(gòu)中，激子束縛能一般比較大，即使在室溫下，激子束縛能也比kT大許多，吸收光譜中能看到明顯的激子吸收，激子效應(yīng)不易淬滅，甚至已實現(xiàn)了以激子復合效應(yīng)為主的激光器件。應(yīng)用在一些發(fā)光二極管和特殊發(fā)光器件的實際應(yīng)用中，激子發(fā)光是一種重要的發(fā)光機制，特別是在一些間接帶半導體材料和低維結(jié)構(gòu)半導體

23、材料制成的發(fā)光二極管中，激子發(fā)光躍遷被證明往往起著關(guān)鍵性的作用.例如用氮化物材料可制成籃綠光和紫外光發(fā)光二極管.眾所周知，氮化物及其合金中一般缺陷濃度是很大的，但發(fā)光效率卻很高，原因是受到局域化的激子有很高的復合幾率，使得載流子在到達非輻射復合中心之前，就通過激子復合對發(fā)光作出貢獻.人們認為，InGaN/GaN量子阱之所以發(fā)光效率很高，與InGaN中存在著組分分凝，甚至形成了量子點，激子發(fā)光得到加強有關(guān)。輻射復合根據(jù)能量守恒原則，電子和空穴復合時應(yīng)釋放一定的能量，如果能量以光子的形式放出，這種復合稱為輻射復合（Radiative Recombination）。輻射復合可以是導帶電子與價帶的空穴

24、直接復合，這種復合又稱為直接輻射復合，是輻射復合中的主要形式。此外輻射復合也可以通過復合中心進行。在平衡態(tài)，載流子的產(chǎn)生率總與復合率相等。輻射復合（Radiative Recombination）是等離子體中電子與離子碰撞的主要復合過程之一，它是光電離的逆過程，對等離子中電離平衡的建立和維持以及等離子體的輻射輸運都起著重要作用。輻射復合的具體過程為：一個離子將一個自由電子俘獲到某個殼層， 同時發(fā)射一個光子。發(fā)光過程中同時存在輻射復合和無輻射復合過程。主要包括：帶間復合/導帶底的 電子同價帶頂?shù)目昭ɑ蚱涓浇妮d流子復合，具有一定的寬度；雜質(zhì)能級與帶間的復合/淺施主價帶、導帶淺受主間的載流子復合產(chǎn)

25、生的輻射光為邊緣發(fā)射；雜質(zhì)能級間的復合/施主能級上的電子同受主能級上的空穴復合產(chǎn)生輻射復合，簡稱對復合；激子復合；等電子陷阱復合/晶體中的某個原子被同一族的其他原子所替代，形成等電子雜質(zhì)；電負性和原子半徑不相同，產(chǎn)生一個勢場，可以俘獲電子或空穴。這種形成的陷阱稱為等電子陷阱。等電子陷阱通過短程的勢場俘獲電子或空穴，形成等電子陷阱上的束縛機子，它們是局域化的，由測不準關(guān)系，它們在動量空間上的波函數(shù)相當彌散，電子和空穴的波函數(shù)有大的交疊，因而能實現(xiàn)準直接躍遷，從而使輻射復合幾率顯著提高。非輻射復合以除光子輻射之外的其他方式釋放能量的復合稱為非輻射復合。非輻射復合中主要有多聲子復合和俄歇復合。發(fā)射聲

26、子，即把能量傳遞給晶格振動，稱為多聲子復合。俄歇復合在半導體中，電子與空穴復合時，把能量或動量，通過碰撞轉(zhuǎn)移給第三個粒子，第三個粒子躍遷到更高能態(tài)，并與晶格反復碰撞后失去能量。整個過程中國能量守恒，動量也守恒。表面復合和界面態(tài)復合晶體表面的晶格中斷產(chǎn)生懸鏈能夠產(chǎn)生高濃度的深的或晶體表面的晶格中斷，產(chǎn)生懸鏈，能夠產(chǎn)生高濃度的深的或淺的能級，它們可以充當復合中心。表面復合是通過表面的躍遷連續(xù)進行的，不會產(chǎn)生光子，因而是非輻射復合。原子線由原子外層電子被激發(fā)到高能態(tài)后躍遷回基態(tài)或較低能態(tài)，所發(fā)射的譜線。點缺陷空位、間隙質(zhì)點、雜質(zhì)質(zhì)點涉及到大約一個原子大小范圍內(nèi)的晶格缺陷，包括晶格位置上缺失應(yīng)有的質(zhì)點

27、而造成的空位；由于額外的質(zhì)點充填晶格空隙而產(chǎn)生的填隙；由雜質(zhì)成分的質(zhì)點替代了晶格中固有成分質(zhì)點的位置而引起的替位等?？瘴粵]有被占據(jù)的正常結(jié)點的位置發(fā)光中心發(fā)光體中被激發(fā)的電子躍遷回到基態(tài)（或與空穴復合）發(fā)射出光子的特定中心?？梢允墙M成基質(zhì)的離子、離子團或摻入的雜質(zhì)。如果被激發(fā)的電子沒有離開中心而回到基態(tài)產(chǎn)生發(fā)光，這類中心叫分立發(fā)光中心；電子被激發(fā)后離化，與空穴通過特定中心復合產(chǎn)生發(fā)光，這類中心叫復合發(fā)光中心。發(fā)光中心是指半導體中雜質(zhì)或雜質(zhì)與缺陷形成的復合體，其中進行輻射復合，產(chǎn)生特征發(fā)光，可能處于帶隙中靠近價帶的位置，也可能處于價帶以下芯能級位置。X射線熒光當能量高于原子內(nèi)層電子結(jié)合能的高能X

28、射線與原子發(fā)生碰撞時，驅(qū)逐一個內(nèi)層電子而出現(xiàn)一個空穴，使整個原子體系處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)原子壽命約為10-12-10-14s，然后自發(fā)地由能量高的狀態(tài)躍遷到能量低的狀態(tài)。這個過程稱為馳豫過程。馳豫過程既可以是非輻射躍遷，也可以是輻射躍遷。當較外層的電子躍遷到空穴時，所釋放的能量隨即在原子內(nèi)部被吸收而逐出較外層的另一個次級光電子，此稱為俄歇效應(yīng)，亦稱次級光電效應(yīng)或無輻射效應(yīng)，所逐出的次級光電子稱為俄歇電子。它的能量是特征的，與入射輻射的能量無關(guān)。當較外層的電子躍入內(nèi)層空穴所釋放的能量不在原子內(nèi)被吸收，而是以輻射形式放出，便產(chǎn)生X射線熒光，其能量等于兩能級之間的能量差。因此，X射線熒光的能量

29、或波長是特征性的，與元素有一一對應(yīng)的關(guān)系。全反射光在不同物質(zhì)中的傳播速度是不同的，當從一種物質(zhì)射向另一物質(zhì)時，在兩種物質(zhì)的交界面會產(chǎn)生折射和反射。折射光的角度隨入射光的角度變化而變化，當入射光的角度達到或超過某一角度時，折射光消失，入射光全部被反射，即光的全反射。不同物質(zhì)對相同波長光的折射角是不同的，不同物質(zhì)折射率不同，相同物質(zhì)對不同波長光的折射角度也不同。激發(fā)光譜 excitation spectrum反映某物質(zhì)在不同波長激發(fā)下的發(fā)光情況，縱坐標越高，發(fā)光越強，能量也越高。橫坐標的波長是指激發(fā)光的波長。計算效率時要算出整個發(fā)光光譜范圍內(nèi)的積分強度（激發(fā)光是單色的），所以每個激發(fā)峰對應(yīng)于一個激

30、發(fā)態(tài)的振動能級，而這個激發(fā)峰的縱坐標則反映了到達這個振動能級的電子數(shù)目的多少，或者說概率的大小。在分析發(fā)光機理時，有時可以監(jiān)視某一波段范圍內(nèi)的積分強度,或者單一波長處的強度。以I表示發(fā)光強度，E表示激發(fā)光強度，是吸收系數(shù)，d是樣品厚度，則有(1)式中()是發(fā)光效率。如果樣品很厚，或者發(fā)光中心的濃度很高，吸收很強,所有的激發(fā)光都被樣品吸收了,則近似地得到 ()=I/E()。(2)如果吸收很弱，則可近似為 ()=I/【2.3E()()·d】。吸收光譜反映一個物質(zhì)對光的吸收能力，表征物質(zhì)對哪些頻率的光具有較強的吸收作用。橫坐標是發(fā)光光源的連續(xù)波長，縱坐標是吸收的強度，與發(fā)光光譜相互對應(yīng)。吸

31、收光譜是溫度很高的光源發(fā)出來的白光，通過溫度較低的蒸汽或氣體后產(chǎn)生的，如讓高溫光源發(fā)出的白光，通過溫度較低的鈉的蒸汽就能生成鈉的吸收光譜。大量實驗發(fā)現(xiàn)，每一種元素的吸收光譜里暗線的位置跟明線位置相互重合，即每種元素所發(fā)射的光的頻率跟吸收的光頻率是相同的。發(fā)射光譜反映一個物質(zhì)的發(fā)光能力，表征物質(zhì)在哪些頻率具有較強的發(fā)光特性。橫坐標是連續(xù)的發(fā)光波長，縱坐標是發(fā)光強度。傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜是一種用來獲得固體,液體或氣體的吸收,發(fā)射,光電導性或拉曼散射的紅外光譜技術(shù)。傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀同時收集一個大范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)。測試原理是放紅外光投過物質(zhì)時，物質(zhì)要吸收與其分子振動、轉(zhuǎn)動頻率相一致的波長的光，使相應(yīng)

32、波長的光強度減弱而形成特征圖譜，根據(jù)特征圖譜確定樣品中所含基團或化學鍵的類型及周圍環(huán)境，確定分子中原子的排列方式，進而推斷物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。紅外吸收定性分析的基本原理是組成物質(zhì)的各種分子的紅外光譜受周圍分子的影響很小，都有其特定的紅外光譜，混合物的光譜則是各自體系光譜的簡單算術(shù)加和，且組成分子的基團或化學鍵都有其特定的振動形式，對應(yīng)特征的振動頻率，在紅外光譜中表現(xiàn)出特征的吸收譜帶位置。玻璃一種在X光鑒定下呈現(xiàn)非晶質(zhì)相的固體。不論有機或無機玻璃，其構(gòu)成的原子或分子都呈現(xiàn)無序分布，不具備長程有序化的結(jié)構(gòu)，但可能具有短程的規(guī)律性。配位性一種共價鍵，成鍵的兩原子間共享的兩個電子不是由兩原子各提供一個，而是來

33、自一個原子。配位鍵是極性鍵，電子總是偏向一方，根據(jù)極性強弱，或接近離子鍵，或接近極性共價鍵。在一些配合物中，除配體向受體提供電子形成普通配位鍵外，受體電子也向配體轉(zhuǎn)移形成反饋配建。拉曼光譜拉曼是一種光散射的過程，當光與分子相互作用時，一部分光的波長發(fā)生改變，通過對這些顏色發(fā)生變化的散射光的研究，可得到分子結(jié)構(gòu)的信息，這種效應(yīng)命名為拉曼效應(yīng)。拉曼散射即入射光穿過物質(zhì)時，小部分光發(fā)生的非彈性散射，導致能量損失及波長的改變。拉曼光譜系統(tǒng)通常用激光波長的激光能量除去振動譜的能量即得到拉曼散射的光能量，由于散射光的頻率與激發(fā)光頻率之差的絕對值取決于分子振動能級的改變，與入射光的波長無關(guān)，因此是特征的。稀

34、土元素稀土元素是周期表中IIIB族釔和鑭系元素之總稱。其中钷是人造放射性元素。他們都是很活潑的金屬，性質(zhì)極為相似，常見化合價+3，其水合離子大多有顏色，易形成穩(wěn)定的配化合物。稀土的發(fā)光是稀土離子的4f層電子在不同能級之間躍遷過程中產(chǎn)生的。處于基態(tài)或低激發(fā)態(tài)的稀土離子受外界激發(fā)吸收能量，躍遷至激發(fā)態(tài)，當4f層電子從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)時，輻射出不同波長的光。稀土離子發(fā)射的光譜可以吸收和發(fā)射從紫外-可見-紅外光區(qū)域內(nèi)不同范圍波長的電磁輻射。發(fā)光通常分為兩類，f-f 躍遷（f電子處于內(nèi)殼層，受到外層電子的屏蔽，基質(zhì)對發(fā)射波長的影響很小，濃度、溫度猝滅較小，高溫下仍可正常工作發(fā)光，并具有從紫外一直到紅外較

35、寬的發(fā)射光譜）屬于4f組態(tài)內(nèi)的線狀譜躍遷，f-d躍遷（5d軌道處于最外層，晶場環(huán)境對發(fā)光的影響較大，發(fā)射光譜為寬譜，發(fā)射范圍從紫外到紅外，溫度對光譜的影響較大，f-d屬于允許躍遷，材料的熒光壽命短，發(fā)生強度較f-f躍遷強。大部分+3價稀土離子的吸收或發(fā)射都源自于稀土離子內(nèi)層4f-4f的電子躍遷能級。稀土離子的發(fā)光機理：稀土固體發(fā)光材料受到紫外線、X射線、電子轟擊、摩擦或其他激發(fā)作用時，產(chǎn)生輻射的一種物理過程，可分為三步，基質(zhì)晶格吸收激發(fā)能基質(zhì)晶格將吸收的激發(fā)能傳遞給激活離子，使其激發(fā)被激發(fā)的稀土離子發(fā)出熒光而返回基態(tài)。作發(fā)光中心的主族金屬離子第五周期的錫和銻，第六周期的鉛和鉍。輻射弛豫分子從能

36、量較高的激發(fā)態(tài)通過弛豫過程回到基態(tài)并發(fā)射光子的衰變過程，輻射弛豫包括熒光和磷光兩種過程。本征缺陷不含有外來雜質(zhì)，僅由晶體的不完善產(chǎn)生出的缺陷。本征缺陷主要由空位缺陷、間隙缺陷、錯位缺陷等。例如，在氟化鈉晶體中，可能的本征缺陷是弗倫克爾缺陷，即氟離子空位和間隙氟離子形成的缺陷對。在氯化鈉晶體中可能存在的本征缺陷是肖特基缺陷，即鈉離子和氯離子空位形成的缺陷對。間隙原子某個晶格間隙中擠進了原子，又稱填隙原子，點缺陷的一種。原子脫離其平衡位置進入原子間隙而形成的。晶格原子間的間隙很小，一個原子擠進去必然使周圍原子偏離平衡位置，造成晶格畸變。如果在點陣的間隙位置擠進一個同類的原子，就形成了一個自間隙原子

37、；如果外來的雜質(zhì)原子擠進了點陣的間隙位置，形成了間隙式雜質(zhì)原子。間隙原子在離子晶體的導電和擴散中起重要作用。間隙雜質(zhì)原子在晶格間隙間遷移時所需的激活能比較小，因此擴散速率較快。這種雜質(zhì)具有一個共同點是它們在禁帶內(nèi)具有深能級，影響電導率，稱為復合中心或俘獲中心。間隙子的熱平衡溫度服從玻爾茲曼分布，濃度隨溫度升高而增加。點缺陷在結(jié)點或鄰近的微觀區(qū)域內(nèi)偏離晶體結(jié)構(gòu)的正常排列的一種缺陷。發(fā)生在晶體中一個或幾個晶格常數(shù)范圍內(nèi)，如空位、間隙原子、雜質(zhì)原子等都是點缺陷。晶體中晶格中的原子由于熱振動能量的漲落而脫離格點移動到晶體表面的正常格點位置上，在原來格點位置留學空位，這種空位稱為肖脫基缺陷（等量的正離子

38、空位和負離子空位）；如果脫離格點的原子跑到鄰近的原子空隙形成間隙原子，這種缺陷稱為弗倫克爾缺陷（等量的正離子空位和間隙正離子）。按幾何位置分為：間隙原子、空位、雜質(zhì)原子點缺陷是晶格上的一種局部錯亂，影響范圍只有鄰近幾個粒子，根據(jù)點缺陷不同的成因可以將點缺陷分為下面三類：本征缺陷、雜質(zhì)缺陷和電子缺陷。本征缺陷：在點陣中晶格結(jié)點出現(xiàn)空位，或在不該有粒子的間隙上多出了粒子。還可能是一種粒子占據(jù)了另一種粒子應(yīng)該占據(jù)的位置形成錯位。這些缺陷的產(chǎn)生，主要由于粒子的熱運動。任何高于OK的實際晶體，晶格結(jié)點上的粒子都在其平衡位置附近做熱運動，若干能量較高的粒子脫離平衡位置形成缺陷。雜質(zhì)缺陷：點缺陷數(shù)目中最多的

39、一類，半徑較小的雜質(zhì)粒子常以間隙粒子進入晶體。粒子晶體中如果雜質(zhì)離子的氧化數(shù)與所取代的離子不一致，給晶體帶來額外電荷。額外電荷通過其他相反電荷的離子來補償通過產(chǎn)生空位來抵消，以保持整個晶體的電中性。雜質(zhì)缺陷一般不改變原理基質(zhì)晶體的晶格，但會因晶格畸化而活化，為粒子遷移提供條件。電子缺陷：是以上兩類缺陷引起的一種電子效應(yīng)缺陷。按照能帶理論，OK下大多數(shù)半導體材料的純凈完整晶體都是電絕緣體，但在高于OK的溫度下，由于熱激發(fā)、光輻照等因素會使少數(shù)電子從滿帶激發(fā)到導帶，原來滿帶中被這些電子占據(jù)的能級便空余出來，能帶中的這些空軌道稱為空穴。滿帶中的空穴和導帶中的部分電子是使半導體導電的主要原因，可見，實

40、際晶體中的微量雜質(zhì)和其他缺陷改變了晶體的能帶結(jié)構(gòu)并控制著其中電子和空穴的濃度及其運動，對晶體的性能具有重要的影響。非化學計量缺陷陰離子缺位型自由電子陷落在陰離子空位中而形成的一種缺陷稱為F色心，由于陷落的電子可以吸收一定的波長的光而得名。如氧空位陽離子填隙型過剩的金屬離子加入間隙位置，帶正電。為保持電中性，等價的電子被束縛在間隙正離子周圍，也構(gòu)成了一種色心。陰離子填隙型為保持電中性，結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了電子空穴，相應(yīng)的正離子升價。電子空穴不局限于特定的正離子，它會在電場作用下發(fā)生運動。因此為P型半導體。目前只有UO2+X中有陰離子填隙型缺陷產(chǎn)生。陽離子空位型為保持電中性，在正離子空位周圍捕獲電子空穴，這類材料也屬于P型半導體。非化學計量缺陷非化學計量化合物的產(chǎn)生極其缺陷的濃度與氣氛的性質(zhì)及氣壓大小有密切關(guān)系，往往是具有變價元素的化合物，且與環(huán)境中的氧分壓直接有關(guān)。能帶理論與原子能級關(guān)系量子力學證明當N個原子相接近形成晶體時，由于共有化運動（原子的外層電子/高能級，勢壘穿透概率較大，電子可以在整個晶體中運動，稱為共有化電子），原來單個原子中每一個允許能級要分裂成N個與原來能級很接近的新能級，實際晶體中，原子數(shù)目很大，新能級與原來能級非常接近，所以兩個能級間距離很小，幾乎可把這一段能級看作連續(xù)的。把N個能級所具有的能