判断直接带隙和间接带隙的核心依据是价带顶(VBM)与导带底(CBM)在动量空间(k空间)的位置关系:若两者位于同一k点则为直接带隙,反之为间接带隙。 这一差异决定了材料的光电性能,例如直接带隙材料(如GaAs)更高效发光,而间接带隙材料(如Si)需声子辅助跃迁,效率较低。
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能带图分析法
通过理论计算(如DFT)或实验测量(如角分辨光电子能谱)绘制能带结构图,观察VBM与CBM的k坐标。若两者重合(如Γ点),则为直接带隙;若分散在不同k点(如Γ-X方向),则为间接带隙。 -
光学吸收特性
直接带隙材料的吸收系数与光子能量呈陡峭上升(),而间接带隙材料因需声子参与,吸收边较平缓(),可通过紫外-可见光谱区分。 -
发光效率对比
直接带隙材料(如GaN)的辐射复合效率高,常用于LED和激光器;间接带隙材料(如Si)因需动量补偿,发光效率低,多用于集成电路。 -
理论计算辅助
第一性原理计算可精确预测带隙类型。例如,VASP或MedeA软件输出的能带数据中,直接标注CBM与VBM的k点坐标,直接验证是否为同一k值。
提示:实际应用中需结合实验与理论数据,尤其注意温度、应力等因素可能改变带隙类型。选择材料时,直接带隙适合光电器件,间接带隙更适合低成本电子器件。