光致激發螢光光譜

光致激發螢光光譜是用光激發發光體產生電磁輻射放射的一種現象。當半導 體從外界吸收的能量等於或是超過能隙時，價帶的電子將被激發到導帶，此過程 稱為吸收。被激發到導帶的電子為非平衡態載子，可能自發或受激地從激發態躍 遷至基態，恢復到平衡態，並將吸收的能量以光的形式釋放出來。吸收和發射現 象也可以透過能隙中的局域能級進行，如施子能級或受子能級[44]，如圖2.2。發 光過程典型包含三個步驟：(1) 激發，(2) 熱平衡，(3) 再復合。對於間接能隙半 導體，動量守恆要求聲子必須參與才能完成躍遷，而直接能隙半導體也可能發生 聲子參與的躍遷，如圖2.3。此次研究透過ZnO的激子帶間複合以及與摻雜N產生 的缺陷相關的載子躍遷，探討摻雜N對ZnO造成的影響。

圖2.2 局域能級的躍遷

圖2.3 直接能隙與間接能隙

三、同步輻射簡介

同步輻射是相對論性帶電粒子在電磁場作用下沿彎轉軌道行進時所發出的電 磁輻射，因為在一台電子同步加速器中被觀察到而得名。而相對論性帶電粒子，

能量極高，速度接近光速而質量明顯大於靜止質量，如此才能發出可觀的輻射功 率。因此發出同步輻射的主體必須是能將帶電粒子加速到並維持在相對論性狀態 的大中型粒子加速器。

圖2.4 同步輻射光源

圖2.4為同步輻射產生示意圖[39]，電子在直線加速器中加速至接近光速後，

經由傳輸線輸送至儲存環，再利用插件磁鐵讓移動的電子透過磁場產生偏移，過 程中沿切線方向釋放出的輻射即為同步輻射。

圖2.5 光束線

在儲存環中的同步輻射可經由光束線送到實驗站，如圖2.5[39]，同步輻射經 過聚焦和分光之後成為單色光，利用分光儀可調整實驗站接收到的同步輻射光能 量。

圖2.6 X光入射物質產生效應

X光入射物質表面時，會產生繞射、光電子訊號、螢光訊號等不同形式的光 譜訊號，在本次研究中，同步輻射照射到樣品產生的螢光訊號和光電子訊號所量 測到的X光吸收光譜和X光光電子能譜可以探討導帶未佔據態密度和價帶佔據態 密度。

圖2.7 不同光源強度比較[39]

成為科學研究一大利器的同步輻射具有以下特性[40]：

(一) 光譜廣闊、連續、平滑、可調

從圖2.7可以發現，同步輻射的波長覆蓋範圍可從紅外線至X光，頻譜中沒有 下凹的斷點也沒有凸起的特徵峰。可以使用分光儀，從光束中篩選出特定波長的 單色光，適合應用於研究特定波長的光與物質間的相互作用，和連續改變波長進 行掃描的譜學研究。

(二) 高準直性

同步輻射功率基本上集中於電子軌道的切線方向附近，單個電子在軌道上的

一點發出的同步輻射可視為沿該切線方向延伸的細窄光錐。同步輻射的發散性，

四、X光吸收光譜

圖2.8 X光吸收及後續效應

圖 2.9 平滑的吸收曲線和突起的吸收邊緣

A B C

A. X 光吸收 B. 螢光 C. 歐傑電子

進 行 X 光 吸 收 光 譜 研 究 時 ， 主 要 探 討 的 有 X 光 吸 收 近 緣 結 構 （ X-ray Absorption Near-Edge Structures, XANES）和延伸X光吸收精細結構 (Extend X-ray absorption fine structure, EXAFS)。

9600 9800 10000 10200 10400

0

Absorption (arb. units)

Photon Energy (eV)

Zn K-edge

圖2.10 XANES和EXAFS

圖2.11 多重散射和單一散射

由於多重散射影響因素較為複雜，目前只能定性地從XANES的形狀和強度得 到關於配位環境、氧化態和佔據態密度等資訊。而EXAFS以單一散射為理論基礎

，已可定量得到配位數、鍵長、亂度、配位原子種類等資訊。

量測X光吸收光譜時，先將光源產生的X光透過單光器過濾出單一頻率的光

，經過偵測器量測初始強度I0，當光入射樣品後，可得到穿透過樣品的強度It，以 及螢光訊號If和電子訊號Ie。本次研究的訊號來源為螢光訊號，入射光與樣品表面 的之間的角度是37^°[42]，此角度下的測量可平均各向異性造成的X光吸收譜的差 異。螢光訊號量測適合含量稀少、原子序較大的元素分析，主要量測深度200nm 的訊號，有效降低可能受污染表面對量測的影響。吸收係數µ∝If/I0。

圖2.12 X光吸收光譜實驗圖

五、X光光電子能譜

圖2.13 XPS模型

由於XPS可激發價帶電子，在本此研究中，樣品表層的價帶電子結構可透過 XPS探討。