激光激发拉曼光谱研究半导体材料的低温依赖性

本文采用激光拉曼（Raman）光谱技术系统研究了Si、SiC和金刚石等半导体材料在低温（120K）下的热学性能变化规律。研究发现低温导致拉曼特征峰红移，而温度升高引发蓝移，该现象与材料热导率密切相关。研究为理解低温量子现象和材料本征特性提供了重要理论依据，对推动量子技术、深空探测等前沿领域发展具有重要意义。

　　

研究亮点

通过激光拉曼光谱揭示了半导体材料在低温下的声子行为演变规律，建立了拉曼峰位移与热导率的关联模型，为低温量子器件设计提供新见解。

实验结果与讨论

如图2所示，展示了化学气相沉积（CVD）单晶金刚石、高温高压（HPHT）单晶金刚石、直流喷射（DC-jet）多晶金刚石、单晶Si和SiC的室温拉曼光谱和X射线衍射（XRD）图谱。图2(a)(b)显示CVD单晶金刚石和HPHT单晶金刚石均在1332 cm^-1附近出现尖锐拉曼峰，其中CVD样品峰位为1332.59 cm^-1，HPHT样品为1332.46 cm^-1，表明两者都具有优异的结晶质量。随着测试温度降低至120K，所有样品均出现明显的拉曼峰红移现象，这是因为低温条件下晶体内部只能激活低频声子。当温度逐步升高时，低频声子碰撞频率增加并融合成高频声子，导致拉曼峰产生蓝移。特别值得注意的是，拉曼峰位移量与材料热导率呈负相关——热导率越高的样品，其温度引起的峰位移变化越小。由于材料本身特性限制，在较低测试温度下可能难以通过拉曼光谱的半高宽（FWHM）研究半导体材料的温度依赖性。

结论

本研究通过激光拉曼方法成功揭示了Si、SiC和金刚石等半导体材料的低温依赖性规律。低温（120K）测试时拉曼特征峰相对于室温出现红移，这是由于体系总能量较低仅能激活晶体中的低频声子。随着测试温度升高，低频声子碰撞频率增强并融合成高频声子，导致拉曼峰产生蓝移现象。同时研究发现拉曼峰位移与材料热导率存在显著关联，热导率越高的样品其峰位移变化越小。该研究成果为理解低温量子现象和材料本征特性提供了重要理论支撑。