通过调制表面光电压光谱技术研究高压高温金刚石中缺陷的有效吸收截面

《physica status solidi (a)– applications and materials science》：Effective Absorption Cross Sections of Defects in High Pressure High Temperature Diamond Studied by Modulated Surface Photovoltage Spectroscopy

通过拟合调制表面光伏（SPV）光谱，分析了两种HPHT钻石样品的缺陷态，获得吸收能量和有效吸收截面，并探讨了偏置光对光谱的影响。该方法可精确解析复杂SPV光谱，为半导体材料缺陷研究提供新手段。

　　在金刚石材料的研究中，缺陷态在决定其在多种高科技应用中的性能方面扮演着至关重要的角色。这些应用包括功率电子器件、辐射探测器、量子传感器以及光催化材料等。金刚石具有5.47电子伏特（eV）的宽禁带特性，这使得其在高能物理和光学领域具有独特的优势。然而，由于其高能带结构和复杂的缺陷体系，理解缺陷态的特性对于实现这些应用至关重要。

目前，有两种主要方法用于合成金刚石：化学气相沉积（CVD）和高温高压（HPHT）生长法。CVD技术通过低气压下的气体反应物来合成金刚石，具有较高的纯度控制能力，适合电子器件的应用。相比之下，HPHT方法接近热力学平衡，能够生长出高结晶质量的金刚石，但其生长过程往往导致较高的内在缺陷密度。因此，研究HPHT金刚石的缺陷态对于深入理解其在特定应用中的表现尤为重要。

在HPHT金刚石中，缺陷态通常与催化剂引入的原子杂质有关，如镍（Ni）、钴（Co）和硅（Si），这些杂质在生长过程中形成特定的缺陷结构，如[Si–V]?和镍中心等。这些缺陷的分布和特性显著影响了金刚石的光学和电学行为。此外，CVD金刚石中的缺陷则主要来源于气相前驱体，如氮空位（NV）中心等，其形成机制与HPHT金刚石存在显著差异。

为了更深入地研究这些缺陷态的性质，科学家们采用了一系列光学和电学表征方法。其中，表面光电压（SPV）技术因其无需接触样品即可提供电子跃迁信息而受到关注。然而，SPV谱的分析通常受到信号叠加和动态变化的限制，使得传统方法难以准确提取缺陷态的详细信息。因此，研究者们开发了一种新的方法，即通过拟合调制SPV谱来提取缺陷态的有效吸收截面（σ_abs,eff,i）和吸收能量（E_abs,i）等参数。

在调制SPV光谱技术中，光源在调制周期的一半时间内开启，另一半时间内关闭。这种调制方式使得SPV信号的变化能够反映缺陷态的光生成和电荷分离过程。由于SPV信号的演变过程通常比调制周期长，因此调制SPV信号通常较低，通常在微伏到毫伏范围内。这种低信号特性意味着SPV信号与光生成率成正比，而光生成率又与光子通量和有效吸收截面相关。因此，调制SPV光谱技术为研究缺陷态提供了新的视角。

研究者们对两种具有显著不同杂质密度的HPHT金刚石样品进行了分析，分别标记为EB1和EB2。通过拟合调制SPV信号，他们能够提取出多达10种缺陷相关的吸收特征。在分析过程中，考虑了正负SPV信号的独立性，以及它们在光谱中的相互作用。通过这种方法，研究者们不仅获得了缺陷态的吸收能量，还获得了它们的展宽参数，从而对缺陷态的物理性质有了更全面的理解。

EB1和EB2样品在不同的光谱条件下表现出不同的SPV信号行为。例如，在EB1中，SPV信号在某些波长范围内出现正负变化，而在EB2中则更为稳定。此外，EB1样品由于在生长过程中引入了镍，因此其缺陷态的种类和分布与EB2有所不同。在EB1的SPV谱中，一些特征出现在特定的能量区间，如1.4 eV附近，而EB2则表现出不同的吸收能量特征。

为了更精确地分析SPV谱，研究者们使用了一种基于调制信号的拟合方法。这种方法不仅能够处理复杂的光谱数据，还能有效区分不同缺陷态的贡献。通过比较不同光谱条件下的信号变化，研究者们能够识别出不同能量范围内的缺陷态，并进一步分析它们的有效吸收截面。这种拟合方法为缺陷态的精确分析提供了新的工具，使得研究者能够对金刚石的光电特性进行更深入的探讨。

此外，研究者们还与已有的实验数据进行了比较，发现调制SPV谱拟合结果与传统方法（如吸收光谱和光致电流测量）的结果存在一定的关联。这表明调制SPV谱分析方法在一定程度上可以作为现有技术的补充，尤其是在研究非荧光缺陷态方面具有独特的优势。由于SPV技术能够直接反映电荷分离和重新分布过程，因此它在分析缺陷态的电荷行为方面具有更高的灵敏度。

研究还指出，调制SPV谱的拟合结果受样品和偏置光的影响。例如，在某些波长下，信号的不确定性较高，而其他波长则能够提供更清晰的吸收特征。这些发现表明，调制SPV谱分析方法不仅适用于HPHT金刚石，还可以推广到其他半导体材料的缺陷态研究中。

总之，这项研究展示了调制SPV谱分析方法在研究金刚石缺陷态方面的潜力。通过拟合SPV信号，研究者们能够获得更精确的吸收能量和有效吸收截面数据，从而为金刚石在未来的应用提供了重要的理论支持。这种方法不仅提高了对复杂光谱数据的分析能力，还为非接触式光电表征技术的发展开辟了新的方向。