文|不似少溓游

编辑|不似少溓游

前言

在光学实验中，透过率和反射率是两个重要的参数，它们可以反映出光的传播和反射情况。为了测量透过率和反射率，我们需要进行一系列的实验设置和程序。首先，我们需要准备一定数量的光源和光线接收器，以及透过率和反射率测量仪器。

接下来，我们需要将光源和光线接收器放置在适当的位置，调整仪器参数，以确保实验数据的准确性和可靠性。在实验过程中，我们需要注意一些细节问题，如环境光的干扰和仪器的灵敏度等，以保证实验结果的准确性。

系统原理图如图1所示。在透光率测量中，确保光纤的入射光束对样品是直接很重要的。光电二极管被放置在样品的后面，其位置与入射光对齐。这意味着光电二极管必须被良好地定位在样品的后面。

图1：在FTPS技术中使用FTIR光谱仪进行光电流测量的设置配置

FTIR光谱仪在400到1750 nm之间工作，光源光通过光纤发送到外部样品支架的前面。光学高通滤光器可用于提高测量的动态范围。

图2显示了样品、外部样品室中的光电二极管和光纤的结构。在图2中，我们可以看到入射光束通过样品透射，到达样品后面的光电二极管。通过放置在样品后面的光电二极管产生的光电流密度来测量入射光的透射通量强度。

图2：在样品室中进行透过率测量的样品、光电二极管和光纤的配置

光电二极管被放置在样品后面，测量样品传输的部分。

透射率测量中的入射通量强度可以通过将样品从样品架中移除，同时将光电二极管保持在样品架中来测量。在这种配置下，光电二极管将测量来自迈克尔逊干涉仪的传射光束的通量强度。

图3：用来进行反射率测量的样品、光电二极管和光纤的配置

光纤的一个分支朝向光电二极管，光电二极管远离样品，测量被样品反射的部分光。

对于反射率测量，样品和光纤的配置与透射率测量相同。不同之处在于我们定位光电二极管的位置。由于我们需要测量入射光的反射通量强度，我们将光电二极管定位不是在样品的后面，而是远离 样品图3显示了用于反射率测量的样品、光电二极管和光纤的配置。

从图3可以看出，入射光到达样品，部分反射光通过光纤的一个分支到达光电二极管。因此，由光电二极管产生的光电流代表了样品反射光的强度。

在这个反射率测量中，入射光的通量强度是通过在样品支架中放置一个铝光镜而不是样品，将一部分反射光发送到光电二极管来测量的。考虑到铝反射镜如图4所示的特性，铝反射镜可作为反射率测量的参考。

如前所述，两种探测器用于不同的光谱范围。因此，在透射率和反射率测量过程中，我们使用这两种光电二极管分别进行了测量。为了最终获得样品在每个波数上的传输光率和反射率，我们采用如图所示的配置进行了透射率和反射率测量。并使用以下程序：

1.用硅光电二极管测量样品的透射光。

2.使用InGaas光电二极管测量样品的反射光。

图4：进行反射率测量的铝镜的反射率

图5：透光率测量的系统配置

图6：反射率测量的系统配置

3.使用InGaas光电二极管测量样品的透射光。

4.用硅光电二极管测量样品的反射光。

5.使用InGaas光电二极管测量入射光（通过从样品保持器中取出样品）

6.用硅光电二极管测量入射光。

7.使用InGaas光电二极管通过铝镜测量反射光。

8.用硅光电二极管用铝镜测量反射光

用这个方法，我们可以用方程式来计算薄膜的透射率和反射率。在计算光电流时必须考虑放大增益，因为它对于来自样品或来自参考文献的信号可能不相同。为了获得薄膜和衬底（玻璃）两侧的透光率和反射率，我们可以在一侧使用上面的程序，然后在另一侧重复它。图7显示了氢化非晶硅（a-sI：H）样品的测量透射率和反射率。

图7

图7：(a)在a-sI：H样品上测量的透射率实例。(B)从薄膜侧出发的a-sI：H样品的反射率的例子，RF。(C)从衬底侧出发的a-sI：H样品的反射率的例子，RS。透光率和反射率的测量是使用两个光电二极管，c-sI和InGaas。

图8：在单色光照明下，在具有偏置电压的非导电基板上沉积的半导体样品

利用FTIR光谱仪测量半导体材料的吸收系数

当具有两个共面电极的半导体被连续偏置电压偏振，并且暴露于具有图8所示的连续通量强度的单色光时，对于给定的深度x，光电流的产生可以描述为：

方程1

其中，E为电极之间施加的电场，l为电极的长度，σph为光导率，可以描述为：

方程2

其中q是电子电荷的绝对值，μn和μp分别是电子和空穴的迁移率。在光的作用下产生的过剩电子和空穴被描述为Δn和Δp。

方程3

其中n0和p0是黑暗条件下电子和空穴的浓度。如果我们考虑到电子的迁移率远高于空穴，并且电子在光照下的浓度比在黑暗下高得多，那么光电导率可以描述为：

方程4

半导体材料在光照下的电子浓度是电子的产生速率和电子寿命的乘积。所以，光电导率是：

方程5

电子的生成速率可以表示为：

方程6

其中，η为电子产生的量子效率，R为沉积在玻璃上的薄膜的反射系数，α为半导体薄膜在给定光子能量下的吸收系数。

我们可以关联我们如何从半导体中产生的光电流中获得吸收系数：

方程7

因此，沉积在玻璃上的薄膜的厚度dF所产生的光电流可以表示为：

方程8

当吸收系数α较低，且薄膜厚度较薄时 αdF<< 1，因此是exp（-αdF）⋍1-αdF。最后，在薄膜中产生的光电流为：

方程9

在光电流恒定的情况下，半导体带隙中的准费米能级保持恒定。因此，重组中心的数量也保持不变，这确保了流动性和寿命的恒定产物。由上式可知，我们得到了所产生的光电流和吸收系数的比例如下：

方程10

所述的用于测量半导体材料吸收系数的光电流测量方法被称为常数光电流方法（CPM），最早由GRImmeIss和MonemaR引入并称之为恒定光电导技术，其实验装置如图9a所示。该技术被称为标准模式的恒定光电流方法（sCPM）。

图9：sCPM测量的(a)设备配置，使用一个检测器测量源的通量强度

该实验使用单色仪来选择照射样品的光的波长。在单色仪和样品之间安装了一个分光镜。分光镜的透射率和反射率均为50%。到达分光镜的光束有一半透射到偏振样品，另一半反射到测量器上，测量器测量出具有能量h的光子数。

因此，测量到的反射光强度对应于照射样品的入射光通量。sCPM中吸收系数的相对变化通过样品产生的光电流与测量器测得的入射光强度之间的比率计算得出。在图9B中的sCPM结果中存在代表薄膜中多次反射的干涉条纹。

图10

图10：a）TCPM测量的设备配置，使用放置在样品后面的一个探测器来测量通过样品的源的传输通量强度。B).TCPM结果是吸收系数谱中的干涉条纹不再存在。

提出了一种新颖的CPM方法，该方法利用放置在薄膜样品后的光子探测器。实验设置如图10a所示。这种新方法的开发旨在抑制光吸收光谱中的干涉条纹。通过使用透射光而不是入射光作为光通量的参考，来实现干涉条纹的抑制。

透射光中的干涉存在抑制了样品光电流与探测器光电流之间最终比率中的干涉。这种方法在sasakI的论文[23]中被应用，并进一步被引入为“透射模式CPM”（TCPM）。

报道了CPM的最新研究，该方法结合了sCPM和TCPM的实验设置。这种技术被称为绝对CPM（aCPM），因为它有能力使其吸收系数光谱 使用里特-韦瑟公式[38]校准CPM谱的绝对值。aCPM的结构及其测量结果的一个实例如图11所示。

图11

图11：aCPM测量的(a)设备配置，使用两个探测器，一个放置在样品后面以测量源通过样品的传输通量强度，另一个用于测量源的通量强度。

测量的比率传输和入射通量可以用来获得样品的样品(B) aCPM结果相比sCPM的干涉条纹aCPM吸收系数光谱不再存在和光谱校准其绝对值使用里特公式。

虽然aCPM测量时间长，但通过测量吸收系数，取得了很好的结果。一个样品的测量时间可以达到24小时或更多。这是由于使用单色光源导致CPM的测量过程很长。为了得到每个光子能量的吸收系数，单色器需要改变每一步的光子能量。

对于每一个光子能量，光电流需要通过调整到达样品的光子通量来保持恒定。通量调整是通过调整单色器出口的虹膜直径来完成的。所有这些测量程序都导致较长的测量时间，如果我们想要更高分辨率的测量，时间甚至更长。

最近提出了半导体材料吸收系数测量方法，使用宽带光源的FTIR光谱仪代替单色。这种技术被称为FTPs（傅里叶变换光电流光谱学）。这项技术首先由Tomm等人在1997年提出，后来由PoRuba和Vanecek在2002年提出。

这些工作主要是为了薄膜硅光伏的研发，其中监测半导体层的质量。FTPs技术已被应用于测量不同类型的半导体材料，如FTPs对微晶硅的广泛研究：2006年斯库拉蒂-梅劳德，2009年PoRuba等人研究了硅薄膜。

在FTPs中，光电流在测量过程中自动保持恒定，恒定的光电流是由于FTIR光照亮半导体样品的通量强度不变，因此得到了在等式中半导体样品中产生光电流的公式（方程8）仍然是有效的。

由于我们开发了一种光电流测量技术，使用FTIR光谱仪来测量透射率和反射率，在FTPs测量中，我们用半导体样品取代了光电二极管。

这意味着我们不是测量光电二极管的光电流，而是测量样品暴露在入射光束下时的光电流。我们的FTPs测量采用了绝对CPM的原理，以抑制吸收系数光谱中的干涉条纹，并获得其绝对的干涉条纹 cm−1中的值。

获得吸收系数光谱

吸收系数，如公式(方程10)所述，是通过傅里叶变换红外光谱仪使用公式(方程11)进行测量的。它可以被描述为样品在照射下产生的光电流密度Jsample和样品透过的光通量强度FTRansmITTe的比值。

透过的光通量强度是通过测量放置在样品后面的光电二极管的光电流密度JTRansmITTe来获得的。使用光电二极管进行的测量被用作参考测量。

方程11

在实际应用中，αcm−1中的吸收系数，Eq可以用等式来计算(方程10)。

方程12

其中，Jsample为样品产生的光电流密度（在a.cm−2中）， FTRansmITTe是光电二极管测量的样品透射的光的通量强度(其值可以用等式中的公式得到。

在吸收系数的计算中，使用透射光代替入射光是为了消除sasakI 报道的最终吸收系数光谱中的干涉条纹。

利用上述方程得到的光谱给出了吸收系数光谱的趋势和动态范围，但没有给出其绝对值。在 为了得到吸收系数光谱的绝对值，我们需要校准吸收系数值使用透射率和反射率测量的结果，或者只有透过率测量如果样品的反射率值接近计算吸收系数的绝对恒定光电流法Vanecek等论文使用里特-公式。吸收系数值在透射率和反射光谱没有干涉条纹的波长区域进行校准。

如果我们看看如图7所示的典型的非晶硅薄膜半导体材料的透过率和反射光谱，干涉条纹在低波长（高能）区域消失。因此，低波长区域是可以校准吸收系数的区域。

如上所述，当不进行反射率测量且已知样品的薄膜厚度时，在这种情况下，吸收系数光谱将仅使用透射率光谱进行校准。校准程序如下：

将透光率T设置为绝对比例。厚度为df的均匀薄膜在非吸收厚衬底上的透光率的最大值Tmax由衬底仅光学折射率n给出。

对于n=为1.5的康宁玻璃，编号为7059的基板，使用等式，Tmax约低于1.2 eV，等于0.92(方程13）。我们用这个值将透射光谱设置到绝对尺度。

方程13

2.将A/T，A为吸收率值，T为透射率值，通过分析R、T和A，在吸收率足够高以抑制干扰效应时达到绝对尺度。

我们将相对光谱A/T纳入绝对尺度E0，光谱的吸收率足以抑制薄膜中的多次反射（例如T= 0.05)，因此，T和R的值几乎没有干涉条纹（见图7)。

对于a-sI：H，入射光时，反射率R为R= 0.41，对于入射在衬底侧的光，反射率R为R=0.26。我们将该值与T= 0.05一起计算参考点E0，A=1TR的吸收值，给出光入射薄膜时的A=为0.54，衬底侧的A=为0.69。因此，参考点E0处的A/T对于入射到薄膜侧的光等于10.8，对于基底侧等于13.8。

图12

图12：使用RITTeR-WeIseR公式校准到其绝对值的a-sI：H样品的吸收系数光谱示例。测量由FTIR光谱仪完成，使用两个探测器和一个滤光片，高通超过746 nm。

方程14

其中，R1为a-sI：H薄膜的背面界面的反射率，即光入射到a-sI：H层时的界面a-sI：H/衬底，或光通过衬底入射时的界面a-sI：H/环境。

R1的值实际上是光谱相关的，但它的变化对等式计算的α（E）的值只有微弱的影响（方程14）因此我们使用近似恒定值R1=0.21作为a-sI：H薄膜的前照明，R1=0.36通过衬底照明。

这样我们可以得到绝对单位（cm−1）的光吸收系数α（E）的光谱依赖性。图12显示了使用上述程序进行校准的吸收系数光谱。可以看出，干涉条纹几乎完全被抑制，光谱以绝对值（cm−1）给出。

结语

透过率和反射率测量的实验是一个非常有用的实验，可以帮助我们了解光的性质和材料的特性。

在实验中，我们需要注意实验设置的准确性和数据的准确性，以确保实验结果的可靠性。通过这个实验，我们可以更好地理解光学和材料科学，并为未来的研究和应用提供基础。