氮化鎵材料的分析方法

近年來，隨著材料測試技術(shù)的不斷進步，檢測材料形貌、結(jié)構(gòu)以及性能的實驗儀器也變得越來越多樣化，對本實驗所制備的氮化鎵納米材料的表征時，首先通過透射電子顯微鏡（TEM，transmission electron microscopy）以及場發(fā)射掃描電子顯微（FESEM，F(xiàn)ield emission scanning electron microscope）對樣品的微觀形貌進行測試，這就為控制納米結(jié)構(gòu)的形貌提供了實驗依據(jù)，根據(jù)此結(jié)果改變實驗參數(shù)，以此來達到控制氮化鎵納米結(jié)構(gòu)形貌的目的；然后，通過 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）來對樣品的成分以及結(jié)構(gòu)進行分析，以此來判斷所制備的氮化鎵是立方結(jié)構(gòu)還是六方結(jié)構(gòu)以及他們的生長方向；最后，通過拉曼光譜（Raman spectrum）、熒光光譜（PL，Photoluminescence spectrum）來測試所制備樣品的光學性質(zhì)。

1. X射線衍射（XRD）

X射線衍射法是根據(jù)X射線衍射原理來精確測定物質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的檢測方法，測試方法簡單、方便、測試結(jié)果準確，可以準確判斷材料結(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試方法，被廣泛應(yīng)用于材料科學的檢測領(lǐng)域。由于晶體內(nèi)各原子是周期性排列成三維空間點陣結(jié)構(gòu)的，所以各原子散射波長之間存在固定的位相關(guān)系，當X射線照到晶體表面時，會在每一個點陣處發(fā)生一系列的球面散射波，當波長、頻率都與X射線相同時，這種球面散射波在空間就會產(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決定的，這同時也決定著晶胞的形狀和大小，衍射峰相對強度則取決于晶胞中的數(shù)目、種類和排列方式。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的整數(shù)倍時衍射才能夠加強，布拉格方程如下：2dsinθ=nλ （n為整數(shù)），式中的n是衍射級數(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 0.1 nm。透射電子顯微鏡主要是由電子光學部分、真空部分、電子學部分三部分組成的。其核心就是電子光學部分，電子光學部分又可以分為五個系統(tǒng)，分別是：照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)、觀察和照相系統(tǒng)、試樣臺和試樣架以及真空系統(tǒng)。其中成像系統(tǒng)是電子光學部分的最核心組份。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），當電子束照射到具有周期結(jié)構(gòu)特點的晶體樣品時，樣品通過散射而產(chǎn)生衍射譜，其衍射波再通過相互之間的干涉，從而在像平面成像，即反映出樣品的特征，然后通過透射電鏡中的電磁透鏡進行高倍放大后，進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，同時還可以進行樣品結(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，同時也可以看到晶格的結(jié)構(gòu)。另外，高分辨型 TEM 還可以進行選區(qū)電子衍射（SAED）的測試，我們通過測試得到的衍射斑點，可以進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各級透鏡，最終匯集到樣品表面從而進行表面掃描，它是通過電子束與樣品之間的相互作用產(chǎn)生信號，再由接收器接收后在顯像裝置上顯示顯微圖像的。在SEM成像信號中最基本的是二次電子，其同時也是分析過程中使用最廣泛的，這是因為它作用范圍小，使得其顯微像分辨率高。SEM的分辨率可以高達1 nm，而且SEM的景深很大，這就使得顯微像立體感更強，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。目前，這種光譜儀被廣泛地用來分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)，還能用來定性分析化合物，這是由于不同的材料，在激發(fā)波的照射下會有不同的聲子震動，因此會在Raman譜圖中產(chǎn)生不同的波數(shù)和強度，最后會產(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)部簡正振動頻率和振動能級的信息，通過這些信息我們可以知道物質(zhì)分子中的官能團信息。拉曼光譜與紅外光譜在分子結(jié)構(gòu)的分析方面是互補的，拉曼光譜和紅外光譜都可以用來測定聚合物、有機大分子等信息，而拉曼光譜還可以用來研究在紅外光譜中沒有吸收峰的無機物和金屬配合物。

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光譜是對半導體材料能帶結(jié)構(gòu)、發(fā)光缺陷性質(zhì)以及光學性質(zhì)進行檢測的最常用手段。其光致發(fā)光過程主要可以分成三個步驟。第一步是光吸收過程，在此過程中由于光激發(fā)的作用，在半導體中會產(chǎn)生電子空穴對，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體材料禁帶寬度時，才會發(fā)生本征吸收，才會產(chǎn)生有效的電子空穴對。第二步是光生非平衡狀態(tài)載流子的擴散、弛豫。在這一步驟中非平衡狀態(tài)下的載流子有可能會發(fā)生空間擴散和能量上的轉(zhuǎn)移。最后一步是電子空穴對復合產(chǎn)生發(fā)光。在條件合適時，電子空穴復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，從而使分子恢復到穩(wěn)定的狀態(tài)，這就是光致發(fā)光的基本過程。