應用分享 | 淺談光學帶隙和電學帶隙差異

帶隙（Band Gap），亦被稱為(wei) 禁帶寬度，是半導體(ti) 材料的重要參數之一。它不僅(jin) 揭示了價(jia) 電子被束縛的緊密程度，還是衡量半導體(ti) 光學性能*與(yu) 否的重要指標。此外，帶隙決(jue) 定了激發該半導體(ti) 所必須的較小能量閾值。在光電轉換器件，如太陽能電池和發光二極管等領域，帶隙的測量對深入理解半導體(ti) 的電學和光學特性，以及探索其實際應用價(jia) 值，具有不可替代的物理和現實意義(yi) 。過去，科研人員主要通過循環伏安法或結合UPS與(yu) 光學吸收法來測量帶隙和能級排列。然而，隨著反光電子能譜技術（Inverse Photoemission Spectroscopy，簡稱IPES）的日漸成熟，越來越多的研究開始采用IPES結合UPS的方法來進行材料帶隙的精確表征。

即使是對同一材料的帶隙測量，循環伏安法、UPS+光學吸收法以及IPES等不同的技術手段給出的實驗結果往往是存在明顯差異。這種不一致性引發了諸多疑問：“為(wei) 何我的實驗結果與(yu) 文獻報道的數據存在出入？"、“是否表征方法本身存在誤差？"、“IPES技術的準確性如何？"、“測試設備是否存在問題或偏差？"、“為(wei) 何實驗結果與(yu) 理論預測值存在較大差異？"、“究竟哪個(ge) 結果更接近真實、可靠的值？"這些問題反映了帶隙測量領域的複雜性和挑戰性，也強調了進一步研究和驗證各種表征方法的必要性。 

針對上述關(guan) 於(yu) 帶隙測量方法和存在的疑問，我們(men) 進一步探討光學帶隙（Optical band gap）與(yu) 電學帶隙（Electrical band gap）之間的差異。光學帶隙，通常關(guan) 聯於(yu) 材料在吸收光子後，價(jia) 帶電子從(cong) 基態躍遷至激發態並產(chan) 生激子（exciton）所需的較小能量，需要注意的是激子是電子和空穴的束縛態(bound electron-hole pair)，它們(men) 被靜電庫侖(lun) 力束縛在一起。與(yu) 此不同，電學帶隙涉及將價(jia) 帶電子激發至導帶，形成未束縛的電子-空穴對(unbound electron-hole pair)所需的較小能量。光學帶隙與(yu) 電學帶隙之間關(guan) 鍵區別在於(yu) 激子結合能，即激子中電子與(yu) 空穴之間由於(yu) 靜電庫侖(lun) 力而形成的束縛能量。圖1清晰展示了兩(liang) 者之間的差異：光學帶隙（Egopt）描述了電子從(cong) 基態S0躍遷至激發態S1時所需吸收的光子能量；而電學帶隙（Egec）實際上包含了光學帶隙所表示的能量差以及激子束縛能（Eb，通常在0.1~1.2 eV）。這也是許多材料電學帶隙通常大於(yu) 光學帶隙的原因之一。這種理解有助於(yu) 我們(men) 更準確地解釋和比較不同實驗方法所得到的帶隙數據，同時也為(wei) 解決(jue) 相關(guan) 疑問提供了理論支持。 

圖1. 光學帶隙Egopt和電學帶隙Egec的差異[1]

在無機半導體(ti) 材料，諸如矽和砷化镓中，電子與(yu) 空穴之間的庫侖(lun) 相互作用相對較弱，導致激子結合能較小。因此，在這些材料中，光學帶隙與(yu) 電學帶隙之間的差異通常微乎其微，可以認為(wei) 兩(liang) 者近乎相等。然而，當我們(men) 轉向有機半導體(ti) 領域時，情況則截然不同。在這裏，電子與(yu) 空穴之間的相互作用明顯增強，激子結合能明顯增大，我們(men) 不得不考慮光學帶隙與(yu) 電學帶隙之間的差異。

UPS+IPES組合已成為(wei) 精確測定電學帶隙的有效方法之一，因此在研究中的應用日益普遍。IPES技術通過入射電子與(yu) 未占據態的耦合作用，隨後發生輻射衰變釋放光子，借助光子探測器捕捉這些光子，從(cong) 而精確獲取樣品的導帶信息。然而，傳(chuan) 統IPES方法麵臨(lin) 一個(ge) 明顯挑戰：入射電子能量通常超過10 eV，對材料，特別是有機材料造成明顯的輻照損傷(shang) ，這極大地影響了IPES測量結果的可靠性。[2]為(wei) 應對這一難題，UIVAC-PHI公司創新性地推出了低能量反光電子能譜（Low-Energy Inverse Photoemission Spectroscopy, 簡稱 LEIPS）技術。LEIPS將入射電子能量準確控製在5 eV以下，從(cong) 而在無損條件下有效測量材料的真實導帶信號。結合UPS技術，LEIPS為(wei) 全方麵表征材料的能帶電子結構提供了強有力的工具。這一技術革新不僅(jin) 提高了測量的準確性，還為(wei) 材料科學研究和應用開發帶來了新的機遇。

參考文獻

[1] https://www.liquisearch。。ｃｏｍ/band_gap/optical_versus_electronic_bandgap.

[2] H. Yoshida, Near-ultraviolet inverse photoemission spectroscopy using ultra-low energy electrons. Chemical Physics Letters 539–540 (2012) 180–185. https://dx.doi.org/10.1016/j.cplett.2012.04.058.