氮化鎵材料的分析方法

近年來(lái)，隨著材料測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步，檢測(cè)材料形貌、結(jié)構(gòu)以及性能的實(shí)驗(yàn)儀器也變得越來(lái)越多樣化，對(duì)本實(shí)驗(yàn)所制備的氮化鎵納米材料的表征時(shí)，首先通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM，transmission electron microscopy）以及場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微（FESEM，F(xiàn)ield emission scanning electron microscope）對(duì)樣品的微觀形貌進(jìn)行測(cè)試，這就為控制納米結(jié)構(gòu)的形貌提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，根據(jù)此結(jié)果改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)，以此來(lái)達(dá)到控制氮化鎵納米結(jié)構(gòu)形貌的目的；然后，通過(guò) X-射線衍射（X-ray diffraction patern，XRD）、選區(qū)電子衍射（SAED，selected area electron diffraction）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM，high-resolution transmission electron microscopy）來(lái)對(duì)樣品的成分以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以此來(lái)判斷所制備的氮化鎵是立方結(jié)構(gòu)還是六方結(jié)構(gòu)以及他們的生長(zhǎng)方向；最后，通過(guò)拉曼光譜（Raman spectrum）、熒光光譜（PL，Photoluminescence spectrum）來(lái)測(cè)試所制備樣品的光學(xué)性質(zhì)。

1. X射線衍射（XRD）

X射線衍射法是根據(jù)X射線衍射原理來(lái)精確測(cè)定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的檢測(cè)方法，測(cè)試方法簡(jiǎn)單、方便、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，可以準(zhǔn)確判斷材料結(jié)晶質(zhì)量好壞，因此是一種非常重要的、不可替代的晶體材料測(cè)試方法，被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)的檢測(cè)領(lǐng)域。由于晶體內(nèi)各原子是周期性排列成三維空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的，所以各原子散射波長(zhǎng)之間存在固定的位相關(guān)系，當(dāng)X射線照到晶體表面時(shí)，會(huì)在每一個(gè)點(diǎn)陣處發(fā)生一系列的球面散射波，當(dāng)波長(zhǎng)、頻率都與X射線相同時(shí)，這種球面散射波在空間就會(huì)產(chǎn)生干涉作用形成衍射波。由此可知，衍射的結(jié)果是由于晶體中各原子相干散射波疊加產(chǎn)生的。衍射線的位置是由晶面間距來(lái)決定的，這同時(shí)也決定著晶胞的形狀和大小，衍射峰相對(duì)強(qiáng)度則取決于晶胞中的數(shù)目、種類(lèi)和排列方式。因此，不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)的衍射花樣是各不相同的。根據(jù)衍射條件的限制，只有光程差等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)衍射才能夠加強(qiáng)，布拉格方程如下：2dsinθ=nλ （n為整數(shù)），式中的n是衍射級(jí)數(shù)，θ是衍射角，d是晶面間距。

2. 透射電子顯微鏡（TEM）

透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscoy，TEM）是以高能電子束（50-200 KeV）作為照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種高大倍數(shù)的電子顯微鏡。電子束波長(zhǎng)非常短僅為 0.0037 nm，這使得現(xiàn)代電子顯微鏡的分辨率（也叫分辨本領(lǐng)）高達(dá) 0.1 nm。透射電子顯微鏡主要是由電子光學(xué)部分、真空部分、電子學(xué)部分三部分組成的。其核心就是電子光學(xué)部分，電子光學(xué)部分又可以分為五個(gè)系統(tǒng)，分別是：照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、觀察和照相系統(tǒng)、試樣臺(tái)和試樣架以及真空系統(tǒng)。其中成像系統(tǒng)是電子光學(xué)部分的最核心組份。它的基本成像原理是阿貝成像原理（即衍射譜和兩次衍射成像原理），當(dāng)電子束照射到具有周期結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的晶體樣品時(shí)，樣品通過(guò)散射而產(chǎn)生衍射譜，其衍射波再通過(guò)相互之間的干涉，從而在像平面成像，即反映出樣品的特征，然后通過(guò)透射電鏡中的電磁透鏡進(jìn)行高倍放大后，進(jìn)而在熒光屏上顯示出圖像。這樣的透射電鏡可以觀察樣品形貌，同時(shí)還可以進(jìn)行樣品結(jié)構(gòu)的分析。透射電子顯微鏡又可以分為高分辨型和分析型兩種，本試驗(yàn)中我們用到了高分辨型透射電子顯微鏡（HRTEM），其可以使多數(shù)晶體中的原子序列成像，同時(shí)也可以看到晶格的結(jié)構(gòu)。另外，高分辨型 TEM 還可以進(jìn)行選區(qū)電子衍射（SAED）的測(cè)試，我們通過(guò)測(cè)試得到的衍射斑點(diǎn)，可以進(jìn)一步確定微觀晶體的晶型結(jié)構(gòu)。

3. 掃描電子顯微鏡（SEM）

掃描電子顯微鏡（SEM）和前文所講的透射電子顯微鏡功能相似，都可以用來(lái)觀察材料的微觀形貌。掃描電子顯微鏡是由高能電子束在加速電壓加速下依次通過(guò)各級(jí)透鏡，最終匯集到樣品表面從而進(jìn)行表面掃描，它是通過(guò)電子束與樣品之間的相互作用產(chǎn)生信號(hào)，再由接收器接收后在顯像裝置上顯示顯微圖像的。在SEM成像信號(hào)中最基本的是二次電子，其同時(shí)也是分析過(guò)程中使用最廣泛的，這是因?yàn)樗饔梅秶?，使得其顯微像分辨率高。SEM的分辨率可以高達(dá)1 nm，而且SEM的景深很大，這就使得顯微像立體感更強(qiáng)，因此SEM在材料形貌分析領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。掃描電子顯微鏡還配有X射線能譜儀（EDS），它是可以分開(kāi)不同能量的X射線的裝置，從而可以分析樣品的元素組成。

4. 拉曼光譜（Raman）

由Raman的相關(guān)文章，我們知道拉曼光譜是一種散射光譜，其原理就是分子振動(dòng)。目前，這種光譜儀被廣泛地用來(lái)分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)，還能用來(lái)定性分析化合物，這是由于不同的材料，在激發(fā)波的照射下會(huì)有不同的聲子震動(dòng)，因此會(huì)在Raman譜圖中產(chǎn)生不同的波數(shù)和強(qiáng)度，最后會(huì)產(chǎn)生不同的拉曼光譜圖。

雖然拉曼光譜與紅外光譜的原理和機(jī)制不同，但是它們所能給出的結(jié)構(gòu)信息卻十分相似，即分子內(nèi)部簡(jiǎn)正振動(dòng)頻率和振動(dòng)能級(jí)的信息，通過(guò)這些信息我們可以知道物質(zhì)分子中的官能團(tuán)信息。拉曼光譜與紅外光譜在分子結(jié)構(gòu)的分析方面是互補(bǔ)的，拉曼光譜和紅外光譜都可以用來(lái)測(cè)定聚合物、有機(jī)大分子等信息，而拉曼光譜還可以用來(lái)研究在紅外光譜中沒(méi)有吸收峰的無(wú)機(jī)物和金屬配合物。

5. 光致發(fā)光光譜（PL）

光致發(fā)光光譜也叫熒光光譜。它是半導(dǎo)體材料在能量高于材料本身禁帶寬度的光照激發(fā)下產(chǎn)生的一種發(fā)光現(xiàn)象。PL光譜是對(duì)半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)、發(fā)光缺陷性質(zhì)以及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的最常用手段。其光致發(fā)光過(guò)程主要可以分成三個(gè)步驟。第一步是光吸收過(guò)程，在此過(guò)程中由于光激發(fā)的作用，在半導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，產(chǎn)生非平衡載流子。通常情況下，只有在光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料禁帶寬度時(shí)，才會(huì)發(fā)生本征吸收，才會(huì)產(chǎn)生有效的電子空穴對(duì)。第二步是光生非平衡狀態(tài)載流子的擴(kuò)散、弛豫。在這一步驟中非平衡狀態(tài)下的載流子有可能會(huì)發(fā)生空間擴(kuò)散和能量上的轉(zhuǎn)移。最后一步是電子空穴對(duì)復(fù)合產(chǎn)生發(fā)光。在條件合適時(shí)，電子空穴復(fù)合使得分子吸收的能量又以輻射（主要是熒光或磷光）的形式再度釋放，從而使分子恢復(fù)到穩(wěn)定的狀態(tài)，這就是光致發(fā)光的基本過(guò)程。