光致发光（Photoluminescence, PL）入门版

默认已经知道了概念，分类，过程，用途

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按照带隙分类

直接带隙光致发光和间接带隙光致发光

直接带隙发光的基本原理

1. 入射激光光子的能量高于材料本身的带隙能量，
   半导体处于激发态，入射的光子会被吸收，
2. 在导带顶部和价带底部形成带电子和空穴，
   激发的电子和空穴不能稳定存在，
3. 电子向着价带的最小值（即本征态）进行能量和动量的弛豫，最终与空穴复合，释放光子（部分以非辐射的方式）

间接带隙发光的基本原理

1. 激发，产生电子空穴
2. 激发后的电子和空穴不在相同的动量空间内，在弛豫的过程中，电子向基态进行跃迁时，由于动量空间的不匹配，电子会与晶格中的声子产生相互作用来进一步进行跃迁，
3. 最后在不停的跃迁过程中回到基态与空穴进行复合发光

补充：在这种跃迁过程中会消耗掉光子大量的能量，并转换成其他类型的能量，主要以热能为主。

具体步骤

1 样品准备

材料准备：选择适合研究的样品，例如：半导体材料、量子点、有机发光材料
样品处理：根据需要对样品进行清洗、涂覆或其他处理，确保表面的清洁、光滑

2 激发光源选择

光源选择：选择合适的激发光源（如激光、LED）,波长应在材料的吸收范围内。常用的激光波长包括紫外光、可见光。
激发强度控制：确保光致发光信号清晰且不过饱和。

3 光路和光学系统设置

光路设计：使用透镜、分光器等光学元件，将激发光源准确聚焦到样品表面。
过滤器选择：在检测路径上加入适当的滤波器，以消除激发光的干扰，仅让样品发出的光进入检测器。

4 测量与检测

检测器：常用的检测器有光电倍增管（PMT）、CCD探测器或光谱仪，他们可以将样品发出的光信号转化为可分析的数据。
信号收集：样品被激发后，收集发出的光，通过检测器进行记录。

5 数据处理和分析

光谱分析：通过光谱仪获得样品的光致发光光谱。分析光谱中峰值的波长、强度和半宽等信息，可以了解材料的能带结构、缺陷态和杂质等特性。
时间分辨分析（可选）：若研究样品的荧光寿命，可以进行时间分辨的光致发光测试，测量发光随时间的衰减曲线。

光致发光光谱的分析

1. 光谱的峰值位置

峰值波长或能量：PL光谱中，发光峰的位置（通常以波长或能量表示）可以揭示材料的带隙大小或电子跃迁的能量。
带边发光：如果光谱中有一个接近带隙能量的峰，这通常对应于带边发光（band-edge emission）,表明载流子从导带向价带的直接跃迁。
缺陷发光：光谱中出现低于带隙的峰

2. 峰的强度

相对强度：反应发光效率。强度越高表明样品的发光效率越高。
峰之间的强度比较：如果光谱中存在多个峰，可以比较他们的相对强度，判断主发光机制。例如，带边发光峰强度高，说明样品质量较好；而缺陷发光强度高，说明样品中缺陷较多。

3. 半高宽（FWHM）

峰的宽度：光谱峰的半峰全宽（Full Width at Half Maximum, FWHM）可以用来评估样品的质量。较窄的峰通常表明材料晶体质量较高，杂质和缺陷较少；而较宽的峰则可能暗示样品内部存在杂质、缺陷或者合金化效应。
温度依赖性：通过不同温度下的PL光谱来观察FWHM的变化，可以进一步研究载流子在样品中的复合过程。

4. 光谱的归一化和背景扣除

归一化：为了比较不同样品或不同测试条件下的光谱，需要对光谱进行归一化处理，使其最大峰值强度一致。
背景扣除：PL光谱中可能存在背景信号（如激发光的残余或散射光），需要将其扣除以得到纯净的发光信号。

5. 温度依赖性分析

通过改变测试温度（例如在低温下测量），可以了解材料发光峰的温度漂移和强度变化。
带隙的变化：温度升高时，带隙通常会减小，导致PL峰向长波长方向移动。
热淬灭效应：随着温度的升高，PL强度可能会降低，这是由于非辐射复合增强导致的“热淬灭”效应。

6. 与其他表征方法结合

与X射线衍射（XRD）或扫描电子显微镜（SEM）结合：可以验证样品的晶体结构和表面形貌，辅助解释PL光谱中可能的缺陷或杂质峰。
与拉曼光谱结合：PL和拉曼光谱结合使用可以更全面地了解材料的结构、应变状态和化学成分。

应用

1. 日光灯
2. 组分测定：对三元系或四元系合金，如InxGa1-xN等，通过PL峰位确定半导体材料的禁带宽度，进而确定材料组分；
3. 杂质识别：通过测量材料的光致发光光谱，标定特征谱线的位置，可以识别材料中的杂质元素，以及对杂质浓度进行测定等；
4. 生物荧光标记
5. 位错等缺陷研究：光致发光可以提供有关材料的结构、成分及环境原子排列的信息，是一种非破坏性的、灵敏度高的分析方法。光致发光光谱可以用来研究晶体缺陷，例如原子空位和取代，这对于像金刚石和碳化硅(SiC)这样的材料尤其重要。
6. 变温PL可以测试材料/器件的发光效率
7. 半导体材料的少数载流子寿命等。