化合物半导体材料光电特性测试分析

陈子昂

南京大学 电子科学与工程学院，江苏 南京 210023

0 引言

光电过程是指在光辐射作用下，材料发生电化学反应的过程，即在光作用下，材料中的固体、离子、分子等物质由于吸收了光能，从而处于激发状态，在此种条件下产生的电子与电荷将发生传递与转移[1]。文章研究的化合物半导体材料是指由两种或以上金属元素，以固定原子配比组合方式形成的化合物质，此种物质具有固定的禁带宽度与常规半导体物质的性能。目前，市场材料研究领域中有关相关化合物半导体材料的研究较多，现有的化合物半导体材料种类也相对较多，不同的材料，其性质各异[2]。此类材料在我国经济市场内已基本实现了广泛应用。尽管化合物半导体材料的使用优势已十分突出，但关于此种材料的化学性能研究在我国市场内仍存在留白。因此，文章将在相关研究成果的基础上，以某化合物半导体材料为例，研究此材料的光电特性[3]。以期更加深入地掌握化合物半导体材料的化学性能，为其在市场不同领域中的推广使用提供进一步的指导与帮助，发挥材料在实际应用中的价值与效能。

1 资料与方法

1.1 实验对象的制备

为实现对化合物半导体材料光电特性的性能分析，首先在实验进行中将去离子处理的水、乙醇、盐酸以及正硅酸乙酯等物质，按照一定的摩尔比充分混合搅拌，并确保搅拌后各物质均匀分布在溶液当中。按照上述操作得到所需的溶液后，向溶液当中添加活性物质[4]。在实验当中，可选用镉、锌等材料，将其溶于上述制备的混合溶液当中。在混合同时，添加适量的催化剂，使其快速发生反应，并完成对溶胶酸碱性的调节。在充分搅拌一段时间后，确保其充分混合均匀。将上述制备溶液放入培养皿当中，经过溶胶和凝胶的过程，最终老化、干燥。45～60 d 后，得到所需的干凝胶材料。将干凝胶进行热处理，将其中含有的有机物去除，最后将其与硫化氢气体进行气固反应，最终得到实验所需的化合物半导体材料，将这一材料作为实验研究对象。

1.2 实验材料与设备

在实验过程中，除了制备化合物半导体材料所需的清水、乙醇、盐酸等实验材料，为了得出实验对象光电特性的特点，还需要利用相应的仪器设备，测定其性能参数。实验过程中所需的仪器设备包括X 射线衍射仪、光度计等。选用XRD-Terra-476980 和XRD-Terra-2350 型号的X 射线衍射仪。XRD-Terra-476980 和XRD-Terra-2350 型号X 射线衍射仪均具备结构稳定、使用寿命长、应用范围广、无线传输等应用优势，能够为实验提供更高精度的数据[5]。在运行过程中，两种X 射线衍射仪的工作电压均为220 V，可存储240 GB 的数据，精度为-0.1%。利用上述两种X 射线衍射仪可实现对化合物半导体材料样本的结构分析，并对其周围环境条件以及相关有机化合物进行分析。实验过程中，光度计选用754PC-460 型号紫外可见分光光度计，该型号光度计具备1 200 L/mm 紫外光栅和C-T 单色器结构[6]，在实验过程中可扩展至10 cm 样品架。754PC-460 型号紫外可见分光光度计性能参数记录如表1 所示。

表1 754PC-460 型号紫外可见分光光度计性能参数记录

1.3 实验方法

将上述制备的化合物半导体材料放入实验环境中，并利用XRD-Terra-476980 型号X 射线衍射仪和XRDTerra-2350 型号X 射线衍射仪对实验对象的结构进行测定和分析，再针对化合物半导体材料的非线性光学性能进行实验测试研究。在得到实验对象光学性能的基础上，对其在接电线路当中的导电情况进行分析，记录通电时实验对象的电流密度，以此对其光电转换效率进行探究。将制备的化合物半导体材料以阵列的形式排布，并在X 射线衍射仪的照射下降解持久性的污染物质，在这一过程中不考虑电催化的降解过程，只针对实验对象本身的性能进行探究。根据上述步骤，记录各个操作得到的数据，并根据数据变化对化合物半导体材料的光电特性进行探究。

2 实验结果分析

2.1 吸光与透射光谱

在根据上述实验方法完成实验后，通过X 射线衍射仪测定得出化合物半导体材料为立方结构，材料的微晶晶粒大小在几纳米到几十纳米，实验过程中还在材料当中发现了大量的活性物质。在经过高温加热处理后，随着温度的上升和气体反应时间的加长，实验对象的微晶晶粒逐渐增大，以此可初步得出：通过控制温度和气体反应时间可以实现对化合物半导体材料微晶晶粒尺寸大小的控制。

在上述论述基础上，对化合物半导体材料的吸光性进行探究，并分析通过X 射线衍射仪得到的透射光谱。实验对象实验过程中的吸收值如表2 所示，吸收值为实验对象与参考样品之间的吸收差值。

如表2 所示，可以看出，在不同持续时间条件下，化合物半导体材料的吸收值存在较大差异，并且在波长增加的过程中，各个时间条件下化合物半导体材料的吸收值变化均呈现出先增加后降低的趋势。为了更加直观地展示波长变化下化合物半导体材料吸收值的变化特点，给出如图1 所示的变化趋势图。

表2 实验对象吸收值记录表

图1 化合物半导体材料吸收值变化

2.2 光电的协同作用

在完成对化合物半导体材料的吸光与透射光谱等光学性能的分析后，对材料的光电协同作用的特性进行探究。在暗态、可见光和紫外光三种不同照射条件下化合物半导体材料电机的电流与电压变化数据如表3 所示。

表3 化合物半导体材料不同照射条件下电流与电压表

条件I 为暗态照射条件；条件II 为可见光照射条件；条件III 为紫外光照射条件。如表3 所示，随着电压的增加，在三种照射条件下，化合物半导体材料的电流均呈现出逐渐增加的趋势，并且增加幅度基本相同。

2.3 电流密度与光电转换效率

在下列实验中，选取多个试件，对不同材料的电流密度进行对比，普通半导体材料与化合物半导体材料的电流密度对比结果如表4 所示。普通半导体材料与化合物半导体材料的光电转换效率对比结果如图2 所示。如表4 所示，化合物半导体材料的电流密度明显高于普通半导体材料的电流密度，说明其光电化学性能更优。如图2 所示，与上述制备的化合物半导体材料相比，普通半导体材料的光电转换效率明显更低[7]。

表4 普通半导体材料与化合物半导体材料电流密度对比 单位：A/cm2

图2 光电转换效率对比

3 实验结果讨论

3.1 波长变化分析

根据实验数据可知，在化合物半导体材料当中各个物质含量保持不变的情况下，随着反应时间的不断增加，吸收边会向着长波方向移动，并且结合表2 中的数据可以看出，反应时间越长，化合物半导体材料的吸收值最高值越高。同时，随着波长的不断增加，各个反应时间下，化合物半导体材料的吸收值均呈现出明显的先增加后降低的趋势。最后，若波长继续延伸，则化合物半导体材料的吸收值变化将逐渐趋于平缓，无限接近于零。

3.2 吸收光谱特点分析

在实验过程中发现，对于化合物半导体材料而言，其吸收光谱具有以下几方面特点：第一，在反应时间不变的情况下，随着实验样品当中活性物质含量的不断增加，吸收边会向着长波方向转移；第二，在活性物质含量相同的情况下，气体反应时间的不断增加，材料的吸收边会向着长波方向不断移动。除此之外，对实验样品的禁带宽度进行分析，其微晶的禁带宽度都会比相应半导体材料的禁带宽度更大。

3.3 光电协同作用分析

在对化合物半导体材料的光学性能进行分析后，针对其光电特性进行探究，对材料光电的协同作用进行深入分析。结合上述表3 中的数据可以看出，随着照射条件的不断优化，化合物半导体材料的电流与电压增加幅度逐渐增大。在相同电压条件下，三种条件下化合物半导体材料的电流始终呈现出条件I 电流＜条件II 电流＜条件III 电流的关系。

3.4 光电转换效率分析

在实验过程中，通过对普通半导体材料与化合物半导体材料的电流密度进行对比可知，文章上述制备的化合物半导体材料与半导体材料相比，电流密度增加了3 倍以上，光电转换效率也得到了明显提升。因此，实验结果证明，化合物半导体材料的光电转换效率更快，通过光电协同作用能够提高材料的光电特性，使其光电化学性能进一步提升[8]。

4 结束语

当前各类化合物半导体材料凭借其独特的应用优势，已经成为光电化学领域的研究重点。文章通过实验对化合物半导体材料的光电特性进行探究。实验结果表明，化合物半导体材料在实际应用中通过光电的协同作用，进一步地提升了材料的光学性能。在光电化学性能研究中，可以通过偏压的方式可实现对光电协同作用的分析，以此达到提升光电转换效率的作用和目的。