[发明专利]一种基于双光子荧光的半导体载流子类型测试方法

说明书

本发明涉及一种基于双光子荧光的半导体载流子类型测试方法，其包括如下步骤：S1、选择钙钛矿作为待测样品，将所述待测对象放置于荧光光谱探测系统的样品台上；S2、调整所述荧光光谱探测系统的光源板块中的激发波长，所述激发波长通过4f系统，进入衰减片，并产生一个功率Isubgt;exc1/subgt;，最终照射在所述待测样品上；S3、所述待测样品产生荧光，所述荧光被所述荧光光谱探测系统的光谱仪吸收，收集Isubgt;exc1/subgt;所对应的双光子荧光强度Isubgt;2ppl1/subgt;；S4、调整衰减片，并重复步骤S2；S5、根据公式得到指数系数b，其中D为常数。本发明可以方便简洁并且无损坏性地测量出钙钛矿中的载流子类型，相对于单光子激发排除了缺陷的影响，得到更为真实的信息。

技术领域

本发明属于有机半导体领域，具体涉及一种基于双光子荧光的半导体载流子类型测试方法。

背景技术

钙钛矿作为一种新兴的半导体材料，由于优异的光电性质、简单的溶液可加工性和制备成本低而受到广泛关注。与传统半导体材料相比，钙钛矿具有吸收系数大、载流子迁移率高、载流子扩散距离长、载流子寿命长和带隙可调等优越性质。因此，基于钙钛矿材料的发光二极管(LED)、太阳能电池、光电探测器、激光器等应用迅速发展。

一般来说，钙钛矿材料中的电子受到激发后，会生成两种载流子：自由载流子和激子。自由载流子就是可自由移动的激发态电子和空穴。而激子则是束缚电子空穴对。二者的区别在于受激的电子和空穴之间的库仑力大小。一般用激子束缚能来描述对应的电子和空穴之间的库仑作用大小。当室温下激子束缚能很大时，受激电子和空穴紧紧束缚在一起，形成激子。而激子束缚能较小时，电子空穴对会在短时间内迅速解离成自由载流子。自由载流子是带电荷的，而激子由于电子空穴紧紧束缚在一起则成电中性。他们之间的差别对于钙钛矿中的光物理过程有重要影响。自由载流子的较长扩散距离使其更适用于光伏电池，而激子的辐射复合可以在较低载流子密度下实现高量子效率，因此更适用于发光应用。因此在钙钛矿材料应用之前，需要分辨它具体的载流子类型。

一般在研究钙钛矿材料的载流子时，通过测量或理论计算激子束缚能的大小，然后和室温下粒子热运动能量kT约(26eV)作对比：当激子束缚能大于kT时，认为形成了激子；而激子束缚能小于kT时，电子空穴对会由于热运动解离成自由载流子。这种方法过于粗略，因为钙钛矿材料中的情况非常复杂，仅仅和室温下的热运动能量对比完全无法正确判断出载流子类型，在大部分情况下是判断错误的。

而当需要具体某一种钙钛矿材料中载流子类型时，往往利用单光子激发荧光强度与激发功率之间的依赖关系来判断。这种方法相比于上一种更为偏向钙钛矿中载流子的实际情况。但是也有一些缺陷：依赖关系系数过于接近，难以判断钙钛矿中的真实情况；激子复合与陷阱态诱导复合都属于单分子复合，在通过功率依赖判断时无法将两者区分开来。而钙钛矿材料在制备过程中不可避免会在表面生成大量缺陷。这些缺陷会捕获生成的载流子，从而导致载流子的非辐射复合。因此仍需一种可以排除缺陷影响的方法来辨别钙钛矿材料中的载流子类型。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种基于双光子荧光的半导体载流子类型测试方法，其包括如下步骤：

S1、选择钙钛矿作为待测样品，将所述待测对象放置于荧光光谱探测系统的样品台上；

S2、调整所述荧光光谱探测系统的光源板块中的激发波长，所述激发波长通过4f系统，进入衰减片，并产生一个功率I_exc1，最终照射在所述待测样品上；

S3、所述待测样品产生荧光，所述荧光被所述荧光光谱探测系统的光谱仪吸收，收集I_exc1所对应的双光子荧光强度I_2ppl1；

S4、调整衰减片，并重复步骤S2，从而产生功率I_exc2-I_excn，以及相应的双光子荧光强度I_2ppl2-I_2ppln；