主题：【资料】氧化物半导体材料的禁带宽度实验研究

3可见-紫外光分光光度方法对二氧化钛镀膜样品激活的测试
3.1样品测试过程及实验数据
刚开始测试时，只有一幅图显示正常，进行基线扫描之后仍不行。再进行系统复位，显示“光源错误”。重新开启WFZ-26，复位正确。再进行基线扫描，光谱扫描，仍然无法正常显示。重开光度计，复位，基线扫描，所测得得第一副图C2图形正常，但随后C3C4…C10图形都不对。最后与已读研究生的师兄师姐们讨论，最后得出是仪器自身问题，待修复之后下次才能进行操作。
第二次实验操作时发现，在用WFZ-26记录数据后，不再新建文件，而直接进行下次扫描，则图形显示正常，提高实验效率。然后我们对所有已经测得的数据重新测试，测得每组不同掺杂离子浓度样品的吸收波长和投射率的关系，从而得到不同掺杂比例对吸收峰的影响，并列表如下：
1）二氧化钛掺杂铁离子的数据及曲线
TiO2+ Fe3+
编号        11        13        14        15        16        17        18        19        20        21
掺杂Fe3+%        0        0        0.2        0.4        0.6        0.8        1.0        1.2        1.4        1.6
λ（透射最小时波长）/nm        310.5        307.5        311        308        311.5        311        308.5        310        315.5        310.5
Y（透射率最低值）        1.49        3.30        1.42        3.31        1.85        1.96        3.30        2.39        0.95        1.92

分别选取了Fe3+掺杂浓度为0、0.4、0.8、1.2、1.6的图像

2）二氧化钛掺杂银离子的数据及曲线
①第一组薄膜玻片：TiO2+ Ag+
编号        b22        b23        b24        b25        b26        b27        b28        b29        b30
掺杂Ag+%        0        0        0.4        0.8        1.2        1.6        2.0        2.4        2.8
λ（透射最小时波长）/nm        304.5        306        308        308.5        309        312.5        305        314        307.5
Y（透射率最低值）        4.50        2.86        2.84        2.3        2.33        1.28        4.36        1.03        3.00
②第二组薄膜玻片：TiO2+ Ag+
编号        c1        c2        c3        c4        c5        c6        c7        c8        c9        c10        c11
掺杂Ag+%        0        0        0.5        1.0        1.5        2.0        2.5        3.0        3.5        有误        4.5
λ（透射最小时波长）/nm        303        302.5        303        303.5        305        305        306        304.5        305        308        308.5
Y（透射率最低值）        7.19        8.62        6.65        6.01        3.49        5.39        4.39        4.88        5.22        2.63        1.81
③第三组薄膜玻片：TiO2+ Ag+
编号        d1        d2        d3        d4        d5        d6        d7        d8        d9        d10        d11        d12
掺杂Ag+%        0        0.1        0.2        0.3        0.4        0.5        0.6        0.7        0.8        0.9        1.0        1.1
λ（透射最小时波长）/nm        311.5        310        313        305.5        309        307.5        306.5        308.5        309        308.5        312        307.5
Y（透射率最低值）        1.66        1.88        1.33        4.79        2.62        3.09        4.11        2.65        2.61        2.22        1.68        3.54

分别选取了Fe3+掺杂浓度为0、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、2.8、4.5的图像，这两种不同掺杂离子后文将给出详细的数据处理，并求出其Eg值。

3.2玻璃基纳米二氧化钛薄膜的制备
溶液一 溶胶制备方法
1）前驱液：
无水乙醇17ml、 钛酸丁酯6ml、 三乙醇胺3.5ml，将以上三种试剂混和后用磁力搅拌器充分搅拌20分钟。一般来说此时前驱液的ph值在7.5左右。
2）滴加液：
由无水乙醇8.5ml，蒸馏水2ml和氨水6滴组成，ph值为8。充分搅拌后将滴加液滴入搅拌的前驱液中，速率为1-2滴/秒，滴加完后，继续搅拌1-2小时，此时溶液为透明的黄橙色溶胶。
玻璃基纳米TiO2薄膜的配方
前驱液        滴加液
无水乙醇17ml`        钛酸丁酯6ml        三乙醇胺3.5ml        无水乙醇8.5ml        `蒸馏水2ml        氨水6滴
Ph=7.5        Ph=8
3）镀膜玻璃基片：
将玻璃片用丙酮清洗去掉表面的油脂，然后用超声波清洗1小时去掉表面的风化层，取出后将玻璃片用无水乙醇洗涤，最后用蒸馏水洗涤，浸泡1小时，放入烘箱烤干后备用。将玻璃片垂直插入溶胶中，然后垂直缓慢地提拉玻璃片（速率为1－2mm/s）。应尽量地保持手提拉时的稳定。玻璃片镀膜后晾干1小时，在烘箱中60oC下干燥0.5－1小时，然后在马弗炉中440oC下焙烧1.5－2小时，随炉保温至100oC后取出。第一层薄膜即制成，如果需要镀数层薄膜，则将以镀膜的玻璃片重复上述操作过程即可。只是将焙烧温度提高到480，而焙烧时间延长10－20分钟以使前一层薄膜和后一层薄膜结合紧固。
下图给出了我们所制作的镀膜玻片样品，由于当天实验中时间紧迫，所以在加温过程中温度保持时间不够长，导致最后所做出的样品镀膜与玻璃结合得不够紧密，容易脱落。

镀膜玻片样品

4 温度对二氧化钛压片样品影响的测试
4.1 测试材料的制作
在实验室，由于大多数材料自身的粘合力不够，不易于压片，所以我们最后选取氧化锌粉末为原料进行压片和镀膜制作。
第一次压片，将氧化锌粉末倒入压片模具的圆孔内，再将一圆柱形的小合金块塞入孔中，压在粉末上，注意放入时要将圆柱体与孔口对准，否则容易损坏仪器。再将模具放在压片机上，用旋钮卡禁，将压片机气压放至0。旋禁伐门，摇动手柄，使气压升至6-8个大气压，保持住1秒，然后放气，降低气压，取出压片。
由于氧化锌粉末的粘合力仍然不够，在取压片时部分碎裂。于是我们又进行了第二次压片。第二次压片过程中，我们在氧化锌粉末中加入了粘合剂。首先将氧化锌粉末倒入一个研磨器皿，加入少量酒精和胶水，与粉末充分搅拌均匀成泥状，然后研磨至其再次干却成粉末。用这个粉末再次压片，重复第一次压片步骤。这次得到的压片效果较好，于是我们直接对其镀电极。
在氧化锌薄片的两面均匀刷上银浆，待其干却后取出放入烤箱内烘烤使其成陶瓷。在烤箱内加温至5000C，保持30分钟后自动降温。由于加温不够高，所以未完全成陶瓷，易碎，在拿取时裂成两半，所以最后的测试还是只能借用研究生以前已做好的压片。

二氧化钛压片样品

4.2 压片材料电阻随温度变化的测试过程及实验数据
仪器：加温电炉，测电阻器（Keithley），控温仪，电脑。
1）第一组测试：
材料参数：TiO2+0.6%Nb2O5+x%WO3，其中x=0.5，在14500C保温90分钟。样品2R=10.8mm,d=2.36mm。
测试数据：（见附录）
数据拟合图象：
 
原实验数据图象                        震荡数据剪切后的线性拟合图象
数据拟合图像上出现了明显震荡，第二天打开加温电炉时发现固定样品的一块陶瓷片碎了，样品掉在炉底。为了能够继续测试，我们在仅剩的装置上进行改装，改装成如下形式：

 
原仪器示意图                                改装后仪器示意图
①铜片极片 ②固定样品的陶瓷片 ③样品
2）第二组测试：
材料参数：TiO2+0.6%Nb2O5+x%WO3，其中x=0.1，在14500C保温90分钟。样品2R=10.7mm,d=1.54mm。
测试数据：（见附录）
数据拟合图象：

线性拟合图象
3）第三组测试：
材料参数：TiO2+0.6%Nb2O5+x%WO3，其中x=1，在14500C保温90分钟。样品2R=10.8mm,d=2.00mm。
测试数据：（见附录）
数据拟合图象：
 
原实验数据图象                              线性拟合图象

5 实验数据处理与分析
5.1可见-紫外光分光光度方法对二氧化钛镀膜样品的数据处理
由曾经学过的一些相关知识我们得到禁带宽度与吸收波长存在以下关系： ，我们可由此求出半导体的禁带宽度 ，其中： —普朗克常数； —光速； －吸收波长。
1）二氧化钛掺杂铁离子的数据及曲线（TiO2+ Fe3+）
编号        11        13        14        15        16        17        18        19        20        21
λ/nm        310.5        307.5        311        308        311.5        311        308.5        310        315.5        310.5
Eg/eV        4.00362        4.04268        3.99719        4.03612        3.99077        3.99719        4.02958        4.01008        3.94017        4.00362
2）二氧化钛掺杂银离子的数据及曲线（TiO2+ Ag+）
①
编号        b22        b23        b24        b25        b26        b27        b28        b29        b30
λ/nm        304.5        306        308        308.5        309        312.5        305        314        307.5
Eg/eV        4.08251        4.0625        4.03612        4.02958        4.02306        3.978        4.07582        3.959        4.04268
②
编号        c1        c2        c3        c4        c5        c6        c7        c8        c9        c10        c11
λ/nm        303        302.5        303        303.5        305        305        306        304.5        305        308        308.5
Eg/eV        4.10272        4.1095        4.10272        4.09596        4.07582        4.07582        4.0625        4.08251        4.07582        4.03612        4.02958
③
编号        d1        d2        d3        d4        d5        d6        d7        d8        d9        d10        d11        d12
λ/nm        311.5        310        313        305.5        309        307.5        306.5        308.5        309        308.5        312        307.5
Eg/eV        3.99077        4.01008        3.97165        4.06915        4.02306        4.04268        4.05587        4.02958        4.02306        4.02958        3.98437        4.04268

5.2 压片材料电阻随温度变化的数据处理
查阅相关资料我们得到电导率与温度的变化之间存在以下关系： 。我们对其做代换得到电阻率与温度的关系式为： ，又由电阻公式 可得 ，于是我们总结阻-温关系式： 。由此关系式可以看出作 关于 的图象，则该图象的斜率B即为 ，则可求出半导体的禁带宽度 ，其中k=1. 38× J/K
1）第一组测试：（x=0.5）
Linear Regression for Data: Y = A + B * X
Parameter        Value        Error
A        3.9678                0.02567
B        663.36519        9.20872
Eg/eV        0.1144        －

2）第二组测试：（x=0.1）
Linear Regression for Data: Y = A + B * X
Parameter        Value        Error
A        -0.7046        0.12731
B        2507.99484        60.19901
Eg/eV        0.4326        －

3）第三组测试：（x=1.0）
Linear Regression for Data: Y = A + B * X
Parameter        Value        Error
A        3.61208        0.06502
B        1382.97887        31.7504
Eg/eV        0.2386        －

6 结论
通过用可见-紫外光分光光度方法和温度改变的方法来测定样品的不同波长透过率和阻-温特性等参数，研究了不同杂质掺杂浓度对二氧化钛禁带宽度，即导电性能的影响。在光激活研究中发现，二氧化钛掺杂铁离子和银离子后，样品的禁带宽度增大到4eV左右，显示出更难被激活的特性。而在热激活研究中发现，掺杂了Nb2O5和WO3的二氧化钛禁带宽度明显减小，只有10^-1量级，证明掺杂此杂质后的二氧化钛导电性能明显增强。在本实验中，我们学到了如何结合已学知识、软件运用、文献查找等方法将理论上的测试原理付诸于实践，并得到我们想要得结果。从最初的样品制作到最终的实验结束，我们意识到，实验中的每一个步骤都需要严谨的科学态度不得有丝毫的懈怠，否则都会影响到样品甚至是实验的结果。

7 致谢
首先要特别感谢唐超群老师对我们的鼓励和支持以及在整个实习过程中的悉心指导和热心关注，并提出很有价值的建议和意见。还要谢谢周文斌师兄、薛霞师姐手把手教授我们WFZ-26、烤炉、加温电炉等仪器的使用，而且在制作镀膜和压片样品中给了我们很大帮助，并和我们一起讨论了许多软件应用和数据处理的相关问题。最后，要非常感谢物理系301实验室内的研究生学长们，在实验过程中均给予我们真诚帮助，并无私的提供了实验设备。

禁带宽度是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev)).固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在。自由电子存在的能带称为导带（能导电）。被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度
λg（nm）＝1240/Eg(eV) 波长取吸收峰的起始点
过吸收起始点做吸收曲线的切线，与X轴的交点即为Lamda
用外推法，也就是作Tauc（hv-ahv）图，然后在吸收边附近选几个数据，做直线拟合，找到在横坐标上的截距，就是禁带宽度。