半导体纳晶能级结构与电子性质的电化学研究

了解半导体纳晶能级结构特征和电子特性是其在光电子器件中应用的基础,电化学循环伏安技术提供了一种获取上述关键信息的有效途径。本文系统介绍了利用循环伏安技术探测纳晶能级结构与电子性质的原理、方法以及局限;在此基础上,着重从纳晶能级结构与电子性质的影响因素及规律、纳晶电荷输运性质、纳晶电化学反应机理等方面,综述了该方向近年来取得的研究进展;最后指出了目前研究中存在的问题,并预测了今后的发展方向。     

半导体电极的平带电位

平带电位(E_(fb))是半导体/电解质溶液体系的重要概念,是半导体电极在平带状态时的电极电位,它是半导体电极特有的可以实验测定的物理量。利用Mott-Schottky曲线以及光电化学等方法可以测定平带电位,判断半导体的类型以及估算半导体的载流子浓度,其数值可用于推测半导体的能级结构,确定半导体材料的价带或导带能级位置。这对于与太阳能开发利用相关的半导体光催化和光电化学研究都是非常重要的。本文分析了半导体电极的能带弯曲及影响因素,首次提出半导体界面层内费米能级弯曲,阐明半导体电极平带电位的物理意义及其测定方法,以帮助初学者理解和应用平带电位。     

天然杂质对闪锌矿电子结构和半导体性质的影响

采用密度泛函理论系统研究了分别含有十四种天然杂质的闪锌矿的电子结构,并讨论了这十四种杂质对闪锌矿半导体性质的影响.研究结果表明,锰、铁、钴、镍、铜、镉、汞、银、铅、锑杂质的存在使闪锌矿的带隙变窄,导致吸收带边增大.除了镉和汞杂质外,其余杂质的存在均导致费米能级向高能级方向移动,并且在闪锌矿禁带中产生了杂质能级.铁、镓、锗、铟、锡、锑杂质使闪锌矿的半导体类型由p型变为n型;而锰、钴、镍、铜、镉、汞、银、铅杂质对闪锌矿的半导体类型没有影响.铜杂质使闪锌矿由直接带隙变为间接带隙半导体.     

多孔硅的光电化学特性研究

研究了多孔硅的光电化学特性和溶液中的光致电荷转移机一，由Ｐ型单晶硅制备的多孔硅具有Ｐ型半导体的光电性质，且光电流响应高于单晶硅，由于多孔硅表面态能级对光致电荷的陷阱作用，多孔硅呈现了独特的光电流响应和光致电荷转移性质。     

对再生式光电化学电极的开路电位及其稳定性的探讨

光电化学电极的开路电位及其稳定性与电解质溶液的性质有关。光电极的开路电位与照射在电极上光的强度呈半对数关系。实验表明:对n-型半导体电极,随着溶液中氧化态浓度的增加光电位向正方向移动,而改变溶液中还原态的浓度对光电位影响不大。本文根据电极过程的基本原理解释了这些事实。在某些电解质溶液中还观察到光电极光生电位的滞后现象,文中用费米能级分裂的概念对出现这一现象的原因进行了讨论。     

模拟混凝土孔溶液中钢筋钝化膜的光电化学方法研究

利用光电化学方法研究了钢筋在模拟混凝土孔溶液中钝化膜的电子性质，结果表明，钢筋在该溶液中形成的钝化膜是一种无定形的ｎ－型半导体成相膜，膜由多种铁氧化物组成，其组成受溶液中的离子、ＰＨ值、成膜电位影响，腐蚀抑制ＮａＮＯ２影响钝化膜的组成和生长过程，从而提高钢筋的抗氯离子点蚀能力。     

?-Bi2O3/BiOI异质结的制备及其有效去除有机染料的光催化作用

窄带半导体氧化铋(Bi2O3,带宽介于2.1-2.8 eV)因其强的可见光吸收和无毒性等特性而一直被认为是潜在的可见光催化材料.通常, Bi2O3具有a,b,g,d,e和w等六种晶型,其中,a,b和d-Bi2O3具有催化可见光降解有机物的活性.可是,由于其光生电子-空穴复合较快, Bi2O3的光催化活性还很低,远不够实际应用.将半导体与另一种物质如贵金属或其他半导体复合形成异质结是一种有效控制光生电子-空穴复合,提高光催化活性的方法.目前已成功开发了许多Bi2O3基的异质结光催化材料.尤其是通过用卤化氢酸与a-Bi2O3直接作用原位形成的a-Bi2O3与铋的卤氧化合物BiOX (X = Cl, Br或I)的异质结在提高光催化活性和制备方面显示了优越性.然而,具有更强可见光吸收的b-Bi2O3(带宽约2.3 eV)与卤氧化合物的异质结光催化性能却鲜有报道.本文通过用HI原位处理b-Bi2O3形成b-Bi2O3/BiOI异质结.该异质结表现较纯b-Bi2O3和BiOI更高的降解甲基橙(MO)可见光催化活性.通过多晶X射线衍射(XRD)、紫外漫散射(UV-DRS)、扫描电镜、透射电镜(TEM)、X光电子能谱(XPS)和荧光(PL)等手段研究了b-Bi2O3/BiOI异质结,并提出其高催化活性的机理. XRD结果显示,用HI原位处理b-Bi2O3可形成BiOI相,并且随着HI使用量增加,混合物中的BiOI相逐渐增多. HRTEM结果进一步表明,在混合物中的b-Bi2O3和BiOI都是高度结晶态,且两相之间有很好的接触,从而有利于两相之间的电荷移动.根据UV-DRS和ahv =A(hv –Eg)n/2等公式,计算出了b-Bi2O3和BiOI带隙分别为2.28和1.77 eV,以及两种半导体的导带和价带位置. b-Bi2O3的导带和价带位置分别为0.31和2.59 eV,而BiOI的导带和价带位置分别为0.56和2.33 eV.这样两种半导体能带结构呈蜂窝状,显然不适合光生电子-空穴的分离.然而, XPS测定结果显示,b-Bi2O3和BiOI相互接触形成异质结后,b-Bi2O3相的电子向BiOI相发生了明显的移动.根据文献报道,当两种费米能级不同的半导体接触时,电子会从费米能级高的半导体移向费米能级低的半导体,直至建立新的费米能级.b-Bi2O3被报道是典型的n型半导体,其费米能级在上靠近其导带位置;而BiOI是典型的p型半导体,其费米能级在下靠近其价带位置.基于此,我们提出了b-Bi2O3/BiOI异质结高催化活性的机理.当b-Bi2O3与BiOI形成异质结时,由于b-Bi2O3的费米能级较BiOI的高,因而电子从b-Bi2O3转向BiOI,直至新的费米能级形成.因此电子在两相之间移动导致了b-Bi2O3能带结构整体下移,以及BiOI能带结构整体上移,使得新形成的BiOI导带和价带位置高于b-Bi2O3的.当该异质结在可见光的照射下,光生电子将移至b-Bi2O3的导带,而空穴会移至BiOI的价带,最终达到了光生电子-空穴分离的效果,产生高的光催化活性. PL测试也证实了b-Bi2O3/BiOI异质结具有更长的光生电子-空穴寿命.     

掺杂过渡金属离子的TiO2复合纳米粒子光催化剂──罗丹明B的光催化降解

在悬浮液体系中进行的半导体光催化降解反应中,催化剂的导带电子(或被俘获到半导体表面的电子)还原电解质溶液的O2分子(受主)是反应的决速步骤,O2分子接受电子后形成的超氧自由基O2-或羟基自由基HO·具有很强的氧化能力,能将污梁物氧化降解[13].     

染料敏化TiO2纳晶体系激发态振动相干效应对光致电子转移速率的影响

基于激发态电子占有率表达式和Frank-Condon 因子唯象公式, 当染料激发态振动能级单模振动频率为0.2 eV和TiO₂纳晶半导体导带宽为1.4 eV时, 从理论上研究了取不同重组能、注入能级位置和初始振动波包时激发态振动能级间振动相干效应对光致电子转移速率的影响. 与文献的理论结果比较, 证实了唯象公式的合理性, 其相关修正参数分别为A=16, B=0.4735, C=0.1. 本文的工作将为进行光致电子转移速率的实验研究和染料敏化太阳能电池的应用研究提供理论基础和指导.     

激光扫描电化学现场微区光电流图谱技术

讨论了所建立的激光扫描微区光电流图谱测试系统的若干问题及其应用研究实例。实验结果表明：该测试技术是现场研究半导体及具有半导体性质的金属氧化物微区光电化学性质的有力工具，它可以在微米水平上提供许多有关半导体／电解质溶液界面的结构和电子性质方面的重要信息。     

TiO2纳米晶多孔膜的电荷传输特性

用光电流作用谱、瞬态光电流、循环伏安及线性电位扫描法研究了TiO2纳米晶／纳米多孔膜电荷传输特性．结果表明TiO2纳米多孔膜的电荷传输与块体半导体不同．TiO2纳米晶电极的能带不弯曲，电子在导带中可向两个方向流动，电子既可以流向电极内部经由外电路输出．也可以流向电解质溶液被溶液中的受主捕获．在TiO2纳米多孔膜电极中，不仅在负电位区能带边随电位变化，而且在正电位区能带边随电位变化而移动，即带边不钉扎。加入合适的施主可提高光电转换效率．加入受主则在电极溶液界面引起电子的严重损失，降低光电转换效率．     

光电化学反应的催化

本文主要按照催化剂与半导体电极二者之间所形成的结的性质, 分析了催化剂对电极表面上进行的光电化学反应可能具有的效应。分析结果表明, 催化光电化学反应(光生少数载流子的反应)的前提是催化剂微粒与“半导体/溶液”界面之间有足够强的相互作用, 因而在光照下催化剂粒子中电子系统的费米能级能达到或趋近光生少数载流子的准费米能级。文中并采用带环的可换旋转园盘电极研究了Au、Ir等金属微粒对在n-TiO_2单晶电极上进行的Ce~(3+)—→Ce~(4+)等光电化学反应的催化机理, 证实了上述分析结果。     

4fN-15d组态自旋允许与禁戒跃迁能级的研究

通过稀土光谱理论，计算了三价稀土离子的4f^N-15d组态能级的f与d电子间的库仑相互作用，结果表明对于重稀土元素，其自旋允许跃迁能级位置高于自旋禁戒跃迁能级位置，并且两种能级间的能级差随f电子数的增加而依次减小。对于轻稀土元素,则自旋禁戒跃迁能级位置高于自旋允许跃迁能级位置。结果很好地解释了自旋禁戒跃迁能级的光谱现象。     

β-Bi_2O_3/BiOI异质结的制备及其有效去除有机染料的光催化作用（英文）

窄带半导体氧化铋(Bi2O3,带宽介于2.1-2.8 e V)因其强的可见光吸收和无毒性等特性而一直被认为是潜在的可见光催化材料.通常,Bi2O3具有α,β,γ,δ,ε和ω等六种晶型,其中,α,β和δ-Bi2O3具有催化可见光降解有机物的活性.可是,由于其光生电子-空穴复合较快,Bi2O3的光催化活性还很低,远不够实际应用.将半导体与另一种物质如贵金属或其他半导体复合形成异质结是一种有效控制光生电子-空穴复合,提高光催化活性的方法.目前已成功开发了许多Bi2O3基的异质结光催化材料.尤其是通过用卤化氢酸与α-Bi2O3直接作用原位形成的α-Bi2O3与铋的卤氧化合物Bi OX(X=Cl,Br或I)的异质结在提高光催化活性和制备方面显示了优越性.然而,具有更强可见光吸收的β-Bi2O3(带宽约2.3 e V)与卤氧化合物的异质结光催化性能却鲜有报道.本文通过用HI原位处理β-Bi2O3形成β-Bi2O3/Bi OI异质结.该异质结表现较纯β-Bi2O3和Bi OI更高的降解甲基橙(MO)可见光催化活性.通过多晶X射线衍射(XRD)、紫外漫散射(UV-DRS)、扫描电镜、透射电镜(TEM)、X光电子能谱(XPS)和荧光(PL)等手段研究了β-Bi2O3/Bi OI异质结,并提出其高催化活性的机理.XRD结果显示,用HI原位处理β-Bi2O3可形成Bi OI相,并且随着HI使用量增加,混合物中的Bi OI相逐渐增多.HRTEM结果进一步表明,在混合物中的β-Bi2O3和Bi OI都是高度结晶态,且两相之间有很好的接触,从而有利于两相之间的电荷移动.根据UV-DRS和αhv=A(hv–Eg)n/2等公式,计算出了β-Bi2O3和Bi OI带隙分别为2.28和1.77 e V,以及两种半导体的导带和价带位置.β-Bi2O3的导带和价带位置分别为0.31和2.59 e V,而Bi OI的导带和价带位置分别为0.56和2.33 e V.这样两种半导体能带结构呈蜂窝状,显然不适合光生电子-空穴的分离.然而,XPS测定结果显示,β-Bi2O3和Bi OI相互接触形成异质结后,β-Bi2O3相的电子向Bi OI相发生了明显的移动.根据文献报道,当两种费米能级不同的半导体接触时,电子会从费米能级高的半导体移向费米能级低的半导体,直至建立新的费米能级.β-Bi2O3被报道是典型的n型半导体,其费米能级在上靠近其导带位置;而Bi OI是典型的p型半导体,其费米能级在下靠近其价带位置.基于此,我们提出了β-Bi2O3/Bi OI异质结高催化活性的机理.当β-Bi2O3与Bi OI形成异质结时,由于β-Bi2O3的费米能级较Bi OI的高,因而电子从β-Bi2O3转向Bi OI,直至新的费米能级形成.因此电子在两相之间移动导致了β-Bi2O3能带结构整体下移,以及Bi OI能带结构整体上移,使得新形成的Bi OI导带和价带位置高于β-Bi2O3的.当该异质结在可见光的照射下,光生电子将移至β-Bi2O3的导带,而空穴会移至Bi OI的价带,最终达到了光生电子-空穴分离的效果,产生高的光催化活性.PL测试也证实了β-Bi2O3/Bi OI异质结具有更长的光生电子-空穴寿命.     

p—Si上激光诱导局部沉积铂

现代电子工业中，电子器件基体材料多为半导体或绝缘体，因此，不用外加电源的激光诱导微区沉积技术引起了人们的重视［‘－‘j．这种高度选择性、高速沉积性、工艺简单的技术在电接插件局部镀，多芯层模块制作中的基板联线，加成法制造微带电路及其修复，半导体集成电路中布线的修复等方面有着广泛的应用前景．激光诱导液相金属沉积可在多种基体上，多种电解质溶液中进行”－“’，本课题组自90年代初从事激光镀的研究以来，已利用Ar”激光在硅片上分别实现了Ni－P合金「“］和Cll［“j的镀覆．本文采用3种不同的镀铂溶液作为电解质，在…     

高纯度硅的制备

(一)绪言硅作为半导体材料对现代科学技术已具有极大的实际重要性,在許多半导体材料中,目前锗和硅被公认为是最优越的,此二材料中,锗被作为半导体材料的研究对象要早些,而硅的优越性最近才被注意。由于它“禁带”能级为1.10电子伏較锗0.70电子伏为高,引导到两个重要的结果,首先作为材料它較锗能耐更高的温度(>200℃),所以它能在锗半导体已失效的温度下照常工作(Ge耐温度～75℃),其次較大的能級,使它的p-N结的逆电流较锗更低,这些性质对很多无綫电线路来说是很重要的。     

γ-二氧化锰/K3[Fe(CN)6]溶液界面的电子转移反转区

Marcus电子转移理论的主要成果之一是预言了电子转移反应反转区的存在.从实验上 验证Marcus反转区仍是一个热点问题.通过对γ-MnO2/K3[Fe(CN)6]溶液界面平带电位、极 化曲线的测量,计算了在极化条件下,γ-MnO2导带的电子直接转移到溶液中氧化态物种[F e(CN)6]3-空电子能级上的速率常数ket,logket对外加电位作图,观察到了Marcus反转区. 从理论上也论证了在半导体/溶液界面上的直接电子转移反转区的存在.     

新型含有多氰基受体单元的近红外敏化染料的合成及其光伏性能研究

本文分别以三苯胺、二甲基苯胺和吲哚啉单元为电子给体,设计并合成了3个新型D-π-A体系近红外敏化染料分子5C-1、5C-2和5C-3,并对其结构进行了表征,详细研究了在溶液中以及吸附到电极上的吸收光谱.该系列敏化染料在550—850 nm之间具有较强的吸收,尤其5C-3的吸收边带已达到954 nm.当该系列敏化染料吸附到TiO₂上时,吸收边带大幅红移,显示有利于染料捕获长波段区域的太阳光.通过循环伏安法,测定了染料的电化学性质,发现该系列敏化染料的最低未占有轨道(LUMO)能级与TiO₂导带并不匹配,因此选用导带能级更正的SnO₂作为阳极半导体材料进一步测试了该系列染料的光电性能,以发展具有优良性能的长波段响应的近红外敏化剂.     

关于电化学极化能否改变电极内部费米能级位置的讨论

Khan等人近年一再发表关于电化学极化不能影响电极内部费米能级以及改变电极和溶液两相内部费米能级相对位置的观点。在[3]中更详细地阐述了这种观点。按照作者的意见,根据 E_F=h~2/8π~2m_■~*(3π~2n_e)~2/3 (1)(式中m_■~*为电子的有效质量,n_e是自由电子的浓度,见[3]中第309页,但原文中n_e误写作分母),由于在良电子导体中电场不能进入整体相内部,其中的剩余电荷只可能分布在距     

γ-二氧化锰/K~3[Fe(CN)_6]溶液界面的电子转移反转区

Marcus电子转移理论的主要成果之一是预言了电子转移反应反转区的存在.从实验上验证Marcus反转区仍是一个热点问题.通过对γ-MnO_2/K_3[Fe(CN)_6]溶液界面平带电位、极化曲线的测量,计算了在极化条件下,γ-MnO_2导带的电子直接转移到溶液中氧化态物种[Fe(CN)_6]~(3-)空电子能级上的速率常数k_(et),logk_(et)对外加电位作图,观察到了Marcus反转区.从理论上也论证了在半导体/溶液界面上的直接电子转移反转区的存在.