二、 能階結構的量測理論及實驗
2.1 穿透光譜與光致色變效應
2.1.2 穿透光譜的量測實驗及結果
我們先量測晶體在”漂白態”及”變色態”時的穿透光譜來觀測晶體是否具有光致色 變效應，如果晶體具有光致色變效應則表示其具有多能階結構，並且從穿透光譜的穿 透情形大略了解晶體之能帶結構。
實驗裝置
穿透光譜的實驗裝置如圖 2.1 所示。其中，白光光源為 250 瓦的鹵素燈源(型號：
Oriel 公司的 QTH source)；將此光大略平行擴束後，送入單光儀(型號：Oriel 公司的 MS257TM單光儀)，經過單光儀內部的光柵分光後再用輸出狹縫篩選出單色光，單色光經 過柱狀透鏡匯聚後，投射在晶體樣品上，通過晶體樣品的光再被其後的光電倍增管接 收，收集並量測穿透光的強度。在量測之前，我們先將晶體樣品雙面拋光，這樣做可 以減少因表面不均勻而產生的散射，因為這些散射光會影響我們的量測結果。我們選 用的 250 瓦之鹵素燈源當其光由單光儀出射時，其光強度很小(~µW/cm2)，這可避免晶 體因為我們在量測穿透光譜時，因為照光而使晶體的狀態產生改變，但因為偵測的光 其強度非常弱，因此我們使用光電倍增管當做穿透率量測的光偵測器，來放大此微弱 之光訊號，將它放置在通過晶體的光路正後方，並以黑色屏幕覆蓋以減少外界雜訊光 的干擾。光電倍增管在量測到訊號後，會再送入一個功率器(power metter，型號：Oriel 公司之 MODEL 70310)量測所得到的數值，最後傳送到電腦記錄下來。在量測的過程中，
我們使用電腦軟體(型號：Oriel 公司之 MODEL Tracq32)來控制輸出波長之掃描以及同 步擷取光強度，最後我們即可得到晶體樣品的穿透光譜。
實驗結果分析
因為我們所使用的矽酸鉍晶體具有光致色變效應，因此，我們必須確定晶體在我 們每次量測時都在同一個狀態下，因此我們將晶體放在可加熱致 2000C 的烤箱中，在加 熱 1 小時後置於室溫下，讓晶體緩緩降溫，晶體在經過這樣的退火過程後達到漂白態，
由之前的晶體介紹可知道，因為我們的晶體其能隙約為 3.2eV，因此，我們以紫外光燈 源照射晶體 1 個小時後，晶體的顏色變得較深，此時晶體達到變色態，接著，我們分 別量測晶體在這兩個狀態下的穿透光譜，我們量測的波長範圍為 790nm 到 450nm，以 2nm 的間隔做掃描，選取這個範圍一方面是因為我們的晶體感光波長在此範圍內，一方 面也因為我們儀器的限制(如：光偵測器的操作範圍及單光儀的光柵所能選取的單色 光)。
QTH燈源
鹵素燈電源供應器 (2)
多功能光功率器 單光儀
晶體 柱狀透鏡 電腦 光電倍增管電源供應器
光電倍增管
圖 2.1 穿透光譜量測裝置圖
我們將量測的結果以圖 2.2～2.6 表示，因為晶體本身的缺陷或一些因素會散射入
450 500 550 600 650 700 750 800 0
10 20 30 40 50 60
Trnasmission%
wavelength(nm)
Bleached state Colored state
圖 2.3 釕元素摻雜矽酸鉍晶體的穿透光譜圖
450 500 550 600 650 700 750 800
0 10 20 30
absoption coeffient(1/cm)
wavelength(nm)
Bleached state Colored state
圖 2.2a 矽酸鉍晶體的吸收率光譜圖
450 500 550 600 650 700 750 800 0
10 20 30
absoption coeffient(1/cm)
wavelength(nm)
Bleached state Colored state
圖 2.3a 釕元素摻雜矽酸鉍晶體的吸收率光譜圖
450 500 550 600 650 700 750 800
0 10 20 30 40 50 60
Trnasmission%
wavelength(nm)
Bleached state Colored state
圖 2.4 鋨元素摻雜矽酸鉍晶體的穿透光譜圖
450 500 550 600 650 700 750 800 0
10 20 30
Trnasmission%
wavelength(nm)
Bleached state Colored state
圖 2.4a 鋨元素摻雜矽酸鉍晶體的吸收率光譜圖
450 500 550 600 650 700 750 800
10 20 30 40 50 60
Trnasmission%
wavelength(nm)
Bleached state Colored state
圖 2.5 鈷元素摻雜矽酸鉍晶體的穿透光譜圖
450 500 550 600 650 700 750 800 0
10 20
absoption coeffient(1/cm)
wavelength(nm)
Bleached state Colored state
圖 2.5a 鈷元素摻雜矽酸鉍晶體的吸收率光譜圖
450 500 550 600 650 700 750 800
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Trnasmission%
wavelength(nm)
Bleachedstate Coloredstate
圖 2.6 鈷和鋁元素共同摻雜矽酸鉍晶體的穿透光譜圖
從穿透光譜的分析我們可以發現，未摻雜的矽酸鉍晶體約在460nm 波長之後開始 會穿過晶體，我們把此一特性波長稱之為穿透邊緣(transmission edge)，可以發現鋨、
鈷及鈷及鋁共同摻雜的摻雜會將矽酸鉍晶體的穿透邊緣往短波長的方向移動，而釕元 素的摻雜則產生相反的效應，它會將矽酸鉍晶體的穿透邊緣往長波長的方向移動。接 著從漂白態跟吸收態的穿透光譜圖上我們發現，不論未摻雜或是摻雜鋨、鈷、鈷及鋁 共同摻雜、釕等晶體都出現了光致色變效應，在釕元素摻雜的晶體中，波長越長的地 方其光致色變效應越明顯，這和鈦酸鉍晶體在摻雜釕元素之後的行為相似，因此我們 認為釕元素可以使晶體的吸收往長波長方向移動，而且釕元素摻雜的晶體光致色變效 應也比其它四個晶體來得明顯。我們也可以將以上的結果和同樣摻雜這些元素的鈦酸 鉍晶體作一個比較[14]、[15]，在鈦酸鉍晶體中，釕元素的摻雜亦將晶體的吸收肩往長 波長方向移動，而且隨著摻雜濃度的增加，吸收肩越往長波長方向移動，不過因為我 們並沒有其它釕元素濃度摻雜的晶體，因此我們無法比較是否不同釕元素的濃度摻雜 會對矽酸鉍晶體產生同樣的影響。至於比較鈷元素的摻雜對兩個晶體的影響我們發 現，在兩個晶體中鈷元素的摻雜對兩個晶體穿透光譜的特性有類似的行為表現，其穿
450 500 550 600 650 700 750 800
0 5 10 15 20
absoption coeffient(1/cm)
wavelength(nm)
Bleachedstate Coloredstate
圖 2.6a 鈷和鋁元素共同摻雜矽酸鉍晶體的吸收率光譜圖
透光譜的曲線非常相似，但在鈦酸鉍晶體中鈷元素的摻雜將其穿透邊緣往長波長方向 移動，而在矽酸鉍晶體中鈷元素的摻雜反而將其穿透邊緣往短波長方向移動。我們亦 把這幾個晶體在幾個重要波長下的吸收係數以下表表示出來，不過因為我們的反射率 是每隔25nm 的波長量一次的，因此我們的吸收係數將取和幾個重要波長相近的波長之 值，因為在鄰近的波長附近，反射率的值相當接近，幾乎為一定值，因此這樣的取法 是可以被接受的：
晶體樣品 吸 收 係 數 (475nm)
吸 收 係 數 (525nm)
吸 收 係 數 (625nm)
吸 收 係 數 (650nm)
吸 收 係 數 (800nm) 矽酸鉍晶體 24.2 6.89 3.83 3.66 3.79 釕 元 素 摻 雜 之
矽酸鉍晶體
27.1 17 7.21 6.09 5.34
鋨 元 素 摻 雜 之 矽酸鉍晶體
25.5 5.78 4.88 4.82 5.49
鈷 元 素 摻 雜 之 矽酸鉍晶體
15.5 6.1 5.1 4.83 4.78
鈷 及 鋁 元 素 共 同 摻 雜 之 矽 酸 鉍晶體
13.9 7.26 5.92 5.7 5.21
單位：cm-1
表2.2 摻雜不同元素的矽酸鉍晶體之吸數係數