半導(dǎo)體光催化基礎(chǔ)第二章表面及表面態(tài)研究方法(參考版)
2025-02-24 15:11本頁面
【正文】 可以看出，三種催化劑在 TiO2表面具有顯著不同的表態(tài)能級位置。 要求樣品的長度與截面之比 L/S 2，電壓、電流范圍在 I=106 ～ 104A， V= ～ ，測量結(jié)果較為準(zhǔn)確。 壓片成型的半導(dǎo)體粉末樣品 四探針法測量半導(dǎo)體電阻率的原理如圖所示：將四個剛性金屬探針 P1— P4（電極）直線等距離排列在樣品表面并與樣品保持垂直接觸，其相鄰探針間距離為 S。表面費米能級 EF又受表面態(tài)控制。 粉末電導(dǎo)法 ?粉末電導(dǎo)研究表面態(tài)的方法是基于測量半導(dǎo)體粉末壓片樣品的電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系，或者說是測量表面態(tài)的熱激發(fā)對半導(dǎo)體電導(dǎo)率的影響，以獲得有關(guān)表面勢壘及導(dǎo)致它們形成表面態(tài)的信息。 300 350 400 450 500 550 6000 .00 .20 .40 .60 .81 .01 .21 .41 .6 Ti O 2 ( 0 0 1 ) Ti O 2 ( 1 1 0 ) Ti O 2 ( 1 1 1 )Absorption .W av el en g t h / nm二氧化鈦單晶吸收與表面光電壓的關(guān)系 300 320 340 360 380 400 420 4404 02 0020406080100120140160180200355nm390nm341nm380nm315nm 00 1 11 0 11 1Photovoltage / ? V W av el ength / nm含有表面態(tài)的半導(dǎo)體表面，在一定波長的光照下，由于電子在表面態(tài)與半導(dǎo)體間的電子轉(zhuǎn)移，勢必引起半導(dǎo)體表面勢壘的變化。 表面光伏檢測方法 表面光電 壓譜 (SPS) 激光表面 光伏檢測 表面光電 微區(qū)掃描 靜 態(tài) 動 態(tài) ； 2. 單色儀； 3. 斬波器； 4. 透鏡； 5. 樣品池； 6. 外電場 7. 鎖相放大器； 8. 電源； 9. 計算機； 1. 穩(wěn)態(tài)表面光電壓譜 2. 動態(tài)表面光電壓譜 (Kelvin探針 ) 3. 瞬態(tài)表面光伏法 YAG激光器 倍頻晶體 可調(diào)諧染 料激光器 光電壓池 取樣積分器 記錄儀 時間分辨表面光伏測量裝置 4. 納米微區(qū)表面光伏掃描 h? 吸 收 光 譜 熒 光 光 譜 光 聲 光 譜 輻 射 躍 遷 無 輻 射 躍 遷 ? 10 7 s ? 10 5 s 表 面 光 電 壓 譜 磷 光 基 態(tài) 激 發(fā) 態(tài) 表面光伏與其它光物理過程的關(guān)系 影響表面光伏的因素 1．樣品吸收特性 (消光系數(shù)、躍遷屬性等 ) 2．樣品內(nèi)阻 3．樣品粒徑 4．調(diào)制頻率 5．環(huán)境因素 6．外場 7．電極 8．相位 ? 樣品內(nèi)阻對表 面光伏的影響 隨內(nèi)阻增大，表面光電壓增加 ? 樣品 粒徑 對表 面光伏的影響 樣品粒徑越小，光伏響應(yīng)越小。 亞帶隙躍遷情況 電子由表面態(tài)已占軌道躍遷至導(dǎo)帶。 金屬費米能級高于p半導(dǎo)體 金屬費米能級低于n半導(dǎo)體 帶－帶躍遷情況 n－型 (左圖 )和 p－型 (右圖 )半導(dǎo)體材料在光誘導(dǎo) 下， 表面勢壘高度 (Vs)的變化過程。增強了 SPV作為表面研究手段的重要性。 70年代， Gatos等人系統(tǒng)地進(jìn)行了亞帶表面光伏的研究，對 半導(dǎo)體的表面態(tài) 進(jìn)行了研究。近 50年來得到了很大的發(fā)展。 如果用電子反饋線路調(diào)節(jié)探針的高度來保持光強的恒定 ， 則得到樣品表面的形貌 。 （ SNONM） ?掃描近場光學(xué)顯微鏡 （ Scanning NearField Optical Microscope,SNOM） ,使用一個孔闌限制的光纖探針去探測樣品附近的輻射 。掃描隧道電位儀是在掃描隧道顯微鏡的樣品表面又加了一個電極，樣品與針尖之間加一交流電壓，反饋系統(tǒng)利用這一交流電壓產(chǎn)生的交流隧道電流來控制在掃描時隧道間隙的恒定。 （ STP） ? 掃描隧道電位儀（ Scanning Tunneling Potentionmetry,STP）是用于研究電子通過凝聚態(tài)物質(zhì)時的遷移。由于樣品是固體，導(dǎo)熱性能比空氣好，所以當(dāng)加熱后的針尖向樣品表面靠近時，針尖的熱量向樣品流失使針尖的溫度下降。掃描熱顯微鏡的探針是一根表面覆蓋有鎳層的鎢絲，鎳層與鎢絲之間是絕緣體，在尖端二者相連，這一鎢 /鎳接點起熱電偶的作用。在滴管探針（或樣品）橫向掃描時，通過反饋控制電路使探針（或樣品）上下移動以保持電導(dǎo)守恒，則探針運動的軌跡代表了樣品的表面形貌 。它是將一個充滿電解液的微型滴管當(dāng)作探針，非導(dǎo)電樣品放在一個電解液存儲池底部，將滴管探針調(diào)節(jié)到樣品表面附近，監(jiān)測電解液電極和存儲池中另一電極之間的電導(dǎo)變化。 通過觀察針尖掃描時各點的基極 收集極電流 Ic和 Z電壓 Vz， 可以直接得到表面下界面結(jié)構(gòu)的三維圖象和表面形貌 。 （ BEEM） ? 彈道電子發(fā)射顯微鏡是在掃描隧道顯微鏡的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 ， 它所用的樣品是由金屬 /半導(dǎo)體或半導(dǎo)體 /半導(dǎo)體構(gòu)成的肖特基勢壘異質(zhì)結(jié) 。 當(dāng)其在樣品表面掃描時 ， 其振動的振幅受到樣品中電荷產(chǎn)生的靜電力的影響 。 這樣檢測探針尖端的運動 ， 就可以進(jìn)而得到樣品表面的磁特性 。 （ MFM） ? 磁力顯微鏡 （ Magic Force Microscopy, MFM）也是使用一種受迫振動的探針來掃描樣品表面 ，所不同的是這種探針是沿著其長度方向磁化了的鎳探針或鐵探針 。 把這種受迫振動的探針調(diào)節(jié)到試樣表面時 （ 2— 20nm） ， 探針與試樣表面之間會產(chǎn)生微弱的吸引力 ， 使探針的共振頻率降低 ， 驅(qū)動頻率和共振頻率的差距增大 ， 探針的尖端振幅減小 。利用光學(xué)檢測法和隧道電流檢測法，可以測得微懸臂對應(yīng)于掃描各點的位置變化，從而可以獲得樣品的表面形貌的信息。 為了彌補掃描隧道顯微鏡的這一不足 ， 1986年 Binnig、 Quate和 Gerber發(fā)明了第一臺原子力顯微鏡 （ AFM） 。 而在研究非導(dǎo)電材料時必須在其表面覆蓋一層導(dǎo)電膜 。這些新型的顯微鏡 ， 都利用了反饋回路控制探
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