儀器表征 - 熒光測試

1、1Weekly update王亮王亮熒光分析法熒光分析法Fluorescence Analysis 一、分子熒光的產(chǎn)生過程二、熒光的產(chǎn)生與分子結構的關系 第一節(jié)第一節(jié) 分子熒光原理分子熒光原理 Principle of Fluorescence第二節(jié)第二節(jié) 熒光譜在熒光譜在czts中的應用中的應用一、熒光的產(chǎn)生過程一、熒光的產(chǎn)生過程 Luminescence Process of Molecular Fluorescence * * 分子能級分子能級比原子能級復雜，分子所具有的能級數(shù)目遠多比原子能級復雜，分子所具有的能級數(shù)目遠多于原子能級數(shù)目。在每個分子的電子能級上，都存在振動、轉于原子能級數(shù)

2、目。在每個分子的電子能級上，都存在振動、轉動能級；動能級； * * 基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)：吸收特定頻率的輻射；量子化；躍遷一：吸收特定頻率的輻射；量子化；躍遷一次到位；次到位； * * 激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)基態(tài)基態(tài)：弛豫過程，多種途徑和方式；速度最快：弛豫過程，多種途徑和方式；速度最快、激發(fā)態(tài)壽命最短的途徑占優(yōu)勢；、激發(fā)態(tài)壽命最短的途徑占優(yōu)勢； 1. 1. 分子能級與躍遷分子能級與躍遷2.2.電子激發(fā)態(tài)的多重度電子激發(fā)態(tài)的多重度* * 大多數(shù)有機分子的大多數(shù)有機分子的基態(tài)基態(tài)處于單重態(tài)；處于單重態(tài)；* * 電子電子激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)有有單重態(tài)與三重態(tài)之分（取決于電子的自旋方向單重態(tài)與三重態(tài)之分（取決于電子的

3、自旋方向 M=2S+1，S為電子自旋量子數(shù)的代數(shù)和為電子自旋量子數(shù)的代數(shù)和(0或或1)；* * 根據(jù)洪特規(guī)則，平行自旋（根據(jù)洪特規(guī)則，平行自旋（三重態(tài)三重態(tài)）比成對自旋（）比成對自旋（單重態(tài)單重態(tài)） 穩(wěn)定，因此，三重態(tài)能級比相應單重態(tài)能級低；穩(wěn)定，因此，三重態(tài)能級比相應單重態(tài)能級低； S0T1 屬于禁阻屬于禁阻躍遷，需要通過其躍遷，需要通過其他途徑進入，而且他途徑進入，而且進入的幾率??；進入的幾率??； 3.3.激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)基態(tài)的能量傳遞途基態(tài)的能量傳遞途徑徑 電子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定狀態(tài)，返回基態(tài)時，通過輻射電子處于激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定狀態(tài)，返回基態(tài)時，通過輻射躍遷躍遷(發(fā)光發(fā)光)和無輻射躍遷等方式失

4、去能量。和無輻射躍遷等方式失去能量。傳遞途徑傳遞途徑輻射躍遷輻射躍遷熒光熒光磷光磷光內(nèi)轉換內(nèi)轉換外轉換外轉換系間竄越系間竄越振動弛豫振動弛豫無輻射躍遷無輻射躍遷S2S1S0T1吸吸收收發(fā)發(fā)射射熒熒光光發(fā)發(fā)射射磷磷光光系間竄躍內(nèi)轉換振動弛豫能量l l 2l l 1l l 3 外轉換l l 2T2內(nèi)轉換振動弛豫8蒽蒽乙醇溶液的吸收光譜與熒光光乙醇溶液的吸收光譜與熒光光譜譜非輻射能量傳遞過程非輻射能量傳遞過程 振動弛豫振動弛豫：同一：同一電子能級內(nèi)以熱能量交換形式由高振動能級電子能級內(nèi)以熱能量交換形式由高振動能級至低相鄰振動能級間的躍遷。發(fā)生振動弛豫的時間至低相鄰振動能級間的躍遷。發(fā)生振動弛豫的時間

5、10-12s。 內(nèi)轉換內(nèi)轉換：同多重態(tài)電子能級中：同多重態(tài)電子能級中,不同能級間的無輻射能級交換不同能級間的無輻射能級交換 通過內(nèi)轉換和振動弛豫，高激發(fā)單重態(tài)的電子躍回第一激通過內(nèi)轉換和振動弛豫，高激發(fā)單重態(tài)的電子躍回第一激發(fā)單重態(tài)的最低振動能級。發(fā)單重態(tài)的最低振動能級。 外轉換外轉換：激發(fā)分子與溶劑或其他分子之間產(chǎn)生相互作用而轉：激發(fā)分子與溶劑或其他分子之間產(chǎn)生相互作用而轉移能量的非輻射躍遷；移能量的非輻射躍遷； 外轉換使熒光或磷光減弱或外轉換使熒光或磷光減弱或“猝滅猝滅”。系間竄躍系間竄躍：不同多重態(tài)：不同多重態(tài),有重疊的轉動能級間的非輻射躍遷。有重疊的轉動能級間的非輻射躍遷。輻射能量傳遞

6、過程輻射能量傳遞過程 S0 激發(fā)激發(fā)振動弛豫振動弛豫內(nèi)轉移內(nèi)轉移系間竄躍系間竄躍振動弛豫振動弛豫 T1 S0磷光發(fā)射磷光發(fā)射：電子由第一激發(fā)電子由第一激發(fā)三重態(tài)三重態(tài)的最低振動能級的最低振動能級基態(tài)基態(tài) （ T1 S0躍遷躍遷）；）；電子由電子由S0進入進入T1的可能過程：的可能過程：發(fā)光速度很慢：發(fā)光速度很慢： 10-410 s ，即光照停止后，可持，即光照停止后，可持續(xù)一段時間。續(xù)一段時間。熒光發(fā)射熒光發(fā)射：第一激發(fā)第一激發(fā)單重態(tài)單重態(tài)的最低振動能級的最低振動能級基態(tài)基態(tài) （ S1 S0躍遷躍遷） 10-710 -9s（ S0 T1禁阻躍遷）禁阻躍遷）熒光譜在熒光譜在CZTSCZTS中的應

7、用中的應用 12spatially fluctuating potentials compensation of donors and acceptors band bending a wide range of transition energies between the defects asymmetric broadening of the PL peaks broad asymmetric peaks narrow peaks K. Hones, E. Zscherpel, J. Scragg, S. Siebentritt, Physica B 404 (2009) 4949495

8、21.509, 1.496 and 1.475 eV and one broad peak at 1.33 eV14Both exponents are below k=1, which lead us to conclude that the peaks are associatedwith defect related transitions. k=0.9 and 0.6.A k value between 1 and 2 is typical of anexcitonic transition,at 1.509 eV to an excitonic transitionFor the t

9、hird peak at 1.509 eV weobserve a k value of 1.3.For the peaks at 1.475 eV (circles) and 1.496 eV (squares)KEXPLII因為因為)/(2)/(121)(tkEtkEBBeaeaBTI16 It results in a phonon temperature ofabout 120 2 K which corresponds to phonon energies of E10 meV.Can calculate an average optical phonon energy around

10、 40 meV Can extrapolate to determine a room-temperature bandgap value of 1.43 eV17 Raman and PL coexistence of kesteriteand disordered kesterite phases in CZTS二、二、defects of CZTS18 the 334.3 1/cm peak disorder kesterite the 338.6 1/cm peak kesterite the 347.4.6 1/cm peakstanite The PL spectrum consists of two bandsat 1.27 eV and 1.35 eV.Raman spectrum:The PL spectrum19the observed acceptor defect with the ionization energy around 280 meV could be CuSn , ZnSn , VZn , or VSn .20 The