各位好，从本期开始，我们开始进入晶圆级碳纳米管的相关测试与应用相关专题的第二辑：荧光光谱技术在晶圆级碳纳米管测试中的重要性。

引言

荧光光谱技术是一种基于荧光现象的光谱分析方法，广泛应用于材料科学、纳米技术、化学分析和生物医学等领域。荧光是指某些物质在吸收光能后，以更长波长的光的形式释放多余能量的现象。荧光光谱技术通过测量材料在特定激发光照射下的荧光发射光谱，能够提供材料的化学组成、分子结构、电子态以及环境信息。荧光光谱技术因其高灵敏度、非接触测量和快速响应等优点，成为研究材料性质的重要工具之一。

图1. 溶液法制备大面积碳纳米管薄膜 (a) 用高聚物分散的碳纳米管溶液在 2.5 代背板玻璃上制备的碳纳米管薄膜光学照片及密度 mapping 图片；(b)-(c) 表面活性剂分散的碳纳米管溶液在 3-inch 硅晶圆(b)和柔性衬底 PET(c)上制备的碳纳米管薄膜的光学照片

如我们在本专题中的第一辑所介绍的，当时讨论了Raman光谱法对于表征碳纳米管的重要性，那么在本文，旨在探讨荧光光谱技术在晶圆级碳纳米管测试中的重要性，分析其在材料表征、缺陷检测、性能评估以及应用研究等方面的应用，并结合实际案例说明其在现代纳米材料科学研究和工业生产中的不可替代性。

荧光光谱技术在晶圆级碳纳米管测试中的应用

晶圆级碳纳米管的荧光特性

晶圆级碳纳米管的荧光特性与其组成单元——单壁碳纳米管（SWNTs）的荧光特性密切相关。SWNTs的荧光主要来源于其半导体特性，其荧光发射峰通常位于近红外区域，波长范围在1000-1500 nm之间。荧光光谱的位置和强度与碳纳米管的直径、手性以及电子结构密切相关。通过荧光光谱分析，可以获取晶圆级碳纳米管中SWNTs的详细信息。

• 荧光发射峰的位置和强度：半导体型碳纳米管的荧光发射峰位置取决于其直径和手性。较小直径的碳纳米管通常具有较短的荧光发射波长，而较大直径的碳纳米管则具有较长的荧光发射波长。荧光强度则与碳纳米管的纯度和缺陷密度有关。高纯度、低缺陷密度的晶圆级碳纳米管通常具有较强的荧光强度。

• 荧光寿命测量：荧光寿命是指荧光物质在激发光停止照射后，荧光强度衰减到其最大值的1/e所需的时间。荧光寿命测量可以提供晶圆级碳纳米管中SWNTs的电子跃迁动力学信息。半导体型碳纳米管的荧光寿命通常在纳秒到微秒量级，通过测量荧光寿命，可以进一步了解碳纳米管的电子结构和缺陷态。

图2. 碳纳米管的光学性能与结构的关系 (a)-(b) 理论计算的碳纳米管的吸收强度和荧光强度与手性的关系；(c) 碳纳米管的光吸收截面与手性的关系；(d) 碳纳米管的荧光量子产率与手性的关系

缺陷与纯度分析

荧光光谱技术可以用于检测晶圆级碳纳米管中的缺陷和杂质。缺陷和杂质的存在会显著影响碳纳米管的荧光特性，因此可以通过荧光光谱的变化来评估晶圆级碳纳米管的纯度和质量。

• 荧光强度的变化：缺陷和杂质会引入非辐射跃迁通道，导致荧光强度降低。例如，当碳纳米管中存在氧缺陷时，荧光强度会显著下降，这是因为氧缺陷会捕获激发态的电子，从而抑制荧光发射。通过测量荧光强度的变化，可以定量评估晶圆级碳纳米管中的缺陷密度。

• 荧光光谱的红移或蓝移：缺陷和杂质的存在还可能导致荧光光谱的红移或蓝移。例如，当碳纳米管中掺杂了氮原子时，荧光光谱可能会发生蓝移，这是因为氮原子的引入改变了碳纳米管的电子结构，导致能带间隙增大。通过分析荧光光谱的位移，可以进一步了解晶圆级碳纳米管中的杂质类型和浓度。

纳米管的分散与聚集研究

碳纳米管在制备晶圆过程中的分散状态对其性能有重要影响。荧光光谱技术可以用于监测碳纳米管在不同溶剂中的分散情况。

• 荧光光谱的变化：当碳纳米管分散良好时，荧光光谱表现出较强的特征峰；而当碳纳米管聚集时，荧光强度会显著降低。这是因为聚集的碳纳米管之间会发生能量转移，导致荧光猝灭。通过荧光光谱的变化，可以评估碳纳米管的分散效果，并优化分散工艺。

• 时间分辨荧光光谱：时间分辨荧光光谱技术可以进一步研究碳纳米管的聚集动力学。通过测量荧光强度随时间的变化，可以了解碳纳米管在溶液中的聚集过程。这对于开发稳定的碳纳米管分散液和复合材料具有重要意义。

晶圆级碳纳米管的性能评估

荧光光谱技术可以用于评估晶圆级碳纳米管的性能，包括其在电子器件、传感器和光电器件中的应用潜力。

• 电子器件性能评估：在晶圆级碳纳米管中，半导体型碳纳米管的荧光特性可以用于评估其在场效应晶体管（FETs）中的性能。荧光光谱可以提供碳纳米管的载流子迁移率、电荷陷阱密度和器件开关特性等信息。通过荧光光谱分析，可以优化晶圆级碳纳米管的制备工艺，提高电子器件的性能。

• 传感器性能评估：荧光光谱技术可以用于评估晶圆级碳纳米管在气体传感器、生物传感器和化学传感器中的性能。例如，当晶圆级碳纳米管暴露于特定气体或生物分子时，其荧光光谱会发生变化。通过监测这些变化，可以评估传感器的灵敏度、选择性和响应时间。

• 光电器件性能评估：在光电器件中，晶圆级碳纳米管的荧光特性可以用于评估其在太阳能电池、发光二极管（LEDs）和光电探测器中的性能。荧光光谱可以提供晶圆级碳纳米管的光吸收效率、载流子复合率和光发射特性等信息。通过荧光光谱分析，可以优化晶圆级碳纳米管的光电性能，提高器件的效率和稳定性。

荧光光谱技术的优势

高灵敏度

荧光光谱技术对低浓度物质的检测灵敏度极高。在晶圆级碳纳米管的测试中，荧光光谱技术可以检测到微量的杂质和缺陷。例如，在晶圆级碳纳米管中，荧光光谱可以检测到浓度低至皮克级的杂质。这种高灵敏度使得荧光光谱技术成为检测材料纯度和缺陷的理想工具。

非接触测量

荧光光谱技术是一种非接触测量方法，不需要对样品进行破坏性处理。这对于高价值材料（如晶圆级碳纳米管）的检测尤为重要。荧光光谱技术可以在不接触样品的情况下，通过光学测量获取样品的内部信息，从而实现对样品的无损检测。

多维度信息获取

荧光光谱技术不仅可以提供材料的化学成分信息，还可以提供结构和环境信息。例如，在晶圆级碳纳米管的测试中，荧光光谱可以反映碳纳米管的半导体特性、缺陷密度、分散状态和光电性能。这种多维度信息获取能力使得荧光光谱技术在材料科学研究和工业生产中具有广泛的应用前景。

快速检测

荧光光谱技术的检测速度快，适合大规模工业生产中的快速质量控制。例如，在晶圆级碳纳米管的制造过程中，需要对大量的晶圆进行快速检测，以确保每一片晶圆都符合质量标准。荧光光谱技术可以在短时间内完成对晶圆级碳纳米管的全面检测，提供即时的检测结果。这种快速检测能力使得荧光光谱技术在半导体工业中得到了广泛应用。

我司的SF900晶圆级半导体荧光光谱测试系统具备了如下的性能特点和优点：

全晶圆范围激光自动对焦和实时表面跟踪技术，实现大面积显微扫描稳定成像

亚微米级空间分辨的光谱技术

智能软件和数据分析算法

插槽式并联光路：可以在一套系统中集成PL/TRPL/Raman/光电流功能

利用这样的系统，可以有效地对晶圆级碳纳米管进行荧光相关测试。

图3. SF900晶圆级半导体Raman光谱 测试系统

图4. 半导体晶圆测试中

结论

荧光光谱技术在晶圆级碳纳米管测试中具有重要的应用价值。通过荧光光谱技术，可以实现对晶圆级碳纳米管的结构表征、缺陷检测、性能评估和应用研究。荧光光谱技术具有高灵敏度、非接触测量、多维度信息获取和快速检测等优点，使其成为纳米材料科学研究和工业生产中不可或缺的工具。随着科技的不断进步，荧光光谱技术将在晶圆级碳纳米管的研究与应用中发挥更大的作用，为推动纳米技术和半导体工业的发展提供重要的技术支持。