表面光电压谱.ppt

思考题 1 说明表面光电压谱检测的基本原理2 如何利用表面光电压谱方法或表面光电流方法测量半导体的禁带宽度 Eg 10 49 1 10 49 2 表面光伏现象 原理 实验和应用王德军谢腾峰吉林大学化学学院 10 49 3 SurfacePhotovoltagephenomena Theory experimentandapplicationL Kronik YShapiraSurfaceScienceReports254 1999 1 205 10 49 4 一 表面光伏原理二 表面光伏技术分类三 表面光伏测量的应用 半导体材料导电类型的确定 少数载流子扩散距离的测定 表面态参数的测定 光生电荷性质研究 光催化应用 太阳能电池 表面光伏气敏特性研究 10 49 5 SPV检测原理1 带 带跃迁情况2 亚带隙跃迁情况 10 49 6 SPV检测原理1 带 带跃迁情况2 亚带隙跃迁情况 10 49 7 图2 n 型 左图 和p 型 右图 半导体材料在光诱导下 表面势垒高度 Vs 的变化过程 10 49 8 图3 双面接触的n型半导体 一侧保持暗态 另一侧受光照射 两侧表面势垒高度 Vs 的变化 h 暗态 10 49 9 SPV检测原理1 带 带跃迁情况2 亚带隙跃迁情况 10 49 10 亚带隙跃迁的光伏响应 10 49 11 表面光伏检测方法 表面光电压谱 SPS 瞬态表面光伏检测 表面光电微纳尺度扫描 稳态 动态 表面光伏技术分类 二 表面光伏技术分类 10 49 12 稳态表面光电压谱 Schematicrepresentationoftheexperimentalset upforsurfacephotovoltagespectroscopy 10 49 13 表面光电压谱仪 浙江大学北京化学所 2 燕山大学 2 黑龙江大学辽宁师范大学 2 大连理工大学河南大学西南交大上海交大东北师范大学 3 哈尔滨工业大学 2 四川理工学院闽江学院河北科技大学哈尔滨师范大学内蒙古大学 内蒙古大学 10 49 15 表面光伏检测方法 表面光电压谱 SPS 瞬态表面光伏检测 表面光电微区扫描 稳态 动态 表面光伏技术分类 10 49 Kelvin探针表面光伏技术 动态 10 49 17 能够给出接触势垒高度的改变量 表面功函改变 得到表面光电压谱 2005 1 2007 12国家基金委项目 10 49 18 dcSPVspectrumofZnOarraywithilluminationontopfrom600nmto300nm Inset SchematicsetupofKelvinProbedbasedSPVmeasurement 380nm weakchangeofDCPD 10 49 19 表面光伏检测方法 表面光电压谱 SPS 瞬态表面光伏检测 表面光电微区扫描 稳态 动态 表面光伏技术分类 10 49 20 瞬态表面光伏测量 1064nmnmnm266nm 2007 1 2009 12国家基金委项目 10 49 21 瞬态PV的测试 不同导电类型对测试的影响 p type n type From J Appl Phys 91 9432 2002 10 49 22 Figure2 thetransientphotovoltageoftheheterostructureilluminatedfromthefrontside theinsetoffig 2 withtheilluminationIntensityof7mJ Frontillumination 10 49 23 Fig 3thetransientphotovoltageoftheheterostructureathigherilluminationintensityof18mJand50mJ 10 49 24 表面光伏检测方法 表面光电压谱 SPS 瞬态表面光伏检测 表面光电微区扫描 稳态 动态 表面光伏技术分类 10 49 25 4 表面光电微区扫描 远场扫描 利用KFM模式 10 49 26 n Si TiO2 B n Si TiO2 B e e 研究微纳米尺度的表面与界面的电荷行为 10 49 27 n Si TiO2 B n Si TiO2 B e e 光致电荷转移过程 10 49 28 对于稳态表面光伏的影响因素1 样品吸收特性 消光系数 跃迁属性等 2 样品内阻3 样品粒径4 调制频率5 环境因素6 外场7 电极8 相位 10 49 29 三 表面光伏测量的应用 半导体材料导电类型的确定 少数载流子扩散距离的测定 表面态参数的测定 光生电荷性质研究 光催化应用 太阳能电池 表面光伏气敏特性研究 异质界面对光生电荷的调控 光化学与光物理的几个过程 1 光吸收 2 光生电荷分离 4 光生电荷复合 3 光生电荷扩散 5 光催化还原反应 5 光催化氧化反应 在光物理过程研究中必须面对下面几个问题 1 什么是光生电荷有序分离的原动力 2 光生电荷的扩散长度 3 光生电荷扩散的方向 4 光生电荷是由能带直接转移给反应物的吗 5 表面态如何影响光生电荷的转移过程 光生电荷性质研究 1 半导体材料的禁带宽度的测定2 光生电荷扩散方向3 带带跃迁与亚带隙跃迁的区分4 光生电荷属性的研究 10 49 33 Eg 1 l nm 1240 1 390 1240 3 18eV 1 半导体材料的禁带宽度的测定 l l BiVO4 A 四角型BiVO4 B 四角 单斜BiVO4 C 单斜 BiVO4表面光电压谱和它的表面光伏相位谱 2 光生电荷扩散方向 表面光电压谱表面光伏相位谱 表面光伏相位谱 TiO2 111 单晶 3 带带跃迁与亚带隙跃迁的区分 带带跃迁 亚带隙跃迁 10 49 37 TEMimagesoftheZnOquantumdots a andZnOnanorods b 4 光生电荷属性研究例子 纳米ZnO光伏性质研究 10 49 38 SPSresponseofZnOquantumdotsunderdifferenteletricalfields 电子 空穴的量子限域特性 激子直径2 5nm 10 49 39 A B Fig5 FISPSresponseofZnOnanorods A Positivefield B Negativefield 10 49 40 束缚激子态FISPS响应的特征 在能量上一般都发生在带边随外场强度不对称变化随外场峰位不对称变化 限域态或自由激子态FISPS响应的特征 光伏强度随外场线性增强光伏极性随外场极性改变对称变化光伏峰位不随外场变化 J Phys Chem B2004 108 3202 3206 10 49 41 自建场对表面光伏和荧光的调控作用 原位 气体吸附对表面光伏的影响光电 10 49 42 SPVresponse a andPL b ofZnOnanoparticles Em 350nm 原位 气体吸附对表面光伏的影响发光 光催化研究1 Au TiO2微球光生电荷迁移性质研究 不同金掺杂量的样品焙烧前的SEM照片 5mm 5mm 5mm 5mm 纯TiO2 0 35 0 53 0 7 SEMof0 7 Au TiO2 TEMimageoftheannealedtitaniaspheres 0 70mol CA calcniationat500 Cfor2h InsetistheHRTEMimageoftheselectedarea scalebar 5nm 样品焙烧前后的SEM结果及焙烧后样品的TEM和HRTEM结果 Aunanoparticle 500度焙烧前焙烧后 AuCl4 离子分解生成Au原子 Au原子移动聚集生成纳米颗粒 Au TiO2微球的漫反射吸收谱 TiO2 Auplasmon 二者之间的强相互作用导致Au纳米粒子的plasmon吸收复杂化 Au TiO2微球的表面光电流谱 紫外光照射下 Au纳米粒子作为电子受体捕获光生电子 降低了TiO2导带中电子的迁移可见光照射下 Au纳米粒子的plasmon光生电子转移到TiO2纳米晶中 促进了光电导 TiO2 Auplasmon Au TiO2微球的表面光电压谱 TiO2 Auplasmon 紫外光照射下 SPV增强 TiO2纳米晶的光生电子转移到Au纳米粒子中可见光照射下 Au纳米粒子的plasmon光生电子转移到TiO2纳米晶中 Au TiO2微球的光生电荷转移示意图 在紫外光下 Au作为光生电子受体 有利于光生电荷的分离 紫外光 在可见光下 Au作为光生电子给体 实现其plasmon吸收的光生电荷的分离 Au TiO2微球的光催化活性测试 紫外光降解MO 可见光降解MO 75W汞灯 450nm Au纳米粒子促进了光生电荷分离 提高了紫外光催化效果 Au纳米粒子plasmon吸收具有可见光催化性能 其机理可能是产生了光生电子转移的结果 ChemistryaEuropeanJournal2009 15 4366 4372 BiVO4的制备 1 四角晶BiVO4 2 单斜BiVO4 3 混晶BiVO4 2 不同晶型BiVO4光生电荷迁移性质研究 BiVO4 A 四角型BiVO4 B 四角 单斜BiVO4 C 单斜 BiVO4的SRD BiVO4紫外可见吸收 BiVO4 A 四角型BiVO4 B 四角 单斜BiVO4 C 单斜 BiVO4 A 四角型BiVO4 B 四角 单斜BiVO4 C 单斜 BiVO4表面光电压谱和它的表面光伏相位谱 l 355nm l 355nm Figure4TPVcurveofBiVO4exitedwithalaserradiationpulsewithapowerof50mJ wavelengthof355nmandpulsewidthof5ns BiVO4瞬态表面光伏 Figure5PhotodegradationofMBusingBiVO4withdifferentphaseundertheirradiationofvisiblelight 400nm CMB 10mg L 可见光下BiVO4光催化活性 可见光 紫外光下BiVO4光催化活性 紫外光 J Phys Chem C 2012 116 2425 2430 10 49 58 Zn掺杂TiO2微球的形貌分析 Zn Ti摩尔比为0 5 时 TiO2微球尺寸接近均一 热处理前后形貌基本一致 Zn掺杂TiO2微球染料敏化太阳电池应用 3 太阳能电池研究的应用 10 49 59 Zn掺杂TiO2微球的表面光电压谱 不同Zn Ti摩尔比的TiO2微球的表面光电压谱 插图为表面光电压谱 场诱导表面光电压谱的装置示意图 应该做它的表面光电流 10 49 60 a b 染料敏化前 染料敏化后 Zn掺杂TiO2微球的瞬态光伏 激发波长355nm激发水平50mJ 激发波长532nm激发水平50mJ 10 49 61 基于Zn掺杂TiO2微球薄膜电极的染料敏化太阳电池的性能测试 不同Zn掺杂量的DSSCs的I V特性曲线 Voc随Zn含量的增加而增加 Jsc和 在Zn Ti为0 5 时最大 各电池的填充因子较低 尺寸 形貌对电池的影响 YuZhang DejunWang TengfengXie ElectrochimicaActa inpress 10 49 62 ZnO纳米阵列 CdS异质结构敏化太阳电池性能研究 ZnO CdS异质结构紫外可见漫反射吸收光谱 可见吸收随CdS的增多而红移 强度逐渐增大 10 49 63 ZnO CdS异质结构薄膜的的表面光电压谱 光伏响应的阈值和强度随CdS量的不同发生了有规律的变化 10 49 64 YuZhang TengfengXie DejunWangetal Nanotechnology 2009 20 155707 532nm激发激发水平50mJ pulse 10 49 65 4 表面光电流研究 光电气敏 10 49 66 MinYang DejunWang SensorsandActuatorsB117 2006 80 85 10 49 67 a ASchematicviewfthecorrespondingequilibriumbanddiagram theaveragegrain boundarypotentialbarrier b theschematicdiagramofenergybandmodesofdye sensitizedZnOandtheprocessofphoto inducechargetransferringfromAzopigmenttoZnOnanoparticles a b 10 49 68 Response recoverycurvesofthesensingfilmfabricatedwithcopperdopedZnOnanocrystalstodifferentconcentrationsof a ethanol LiangPeng De JunWang SensorsandActuatorsB131 2008 660 664 p Cu2O n Cu2O异质界面对光生电荷的调控 同质界面 Cu2O同质结的制备方法 两步电沉积 1 0 02MCuSO4 调节溶液的pH值为7 0 8 0 9 0 制备一系列p Cu2O膜 沉积电量为0 6C cm2 2 0 02MCu AC 2 调节溶液的pH值为4 9 再沉积一层n Cu2O膜 沉积电量为0 3C cm2 1 2 ColleenM J AM CHEM SOC 2009 131 2561 2569ColleenM J Phys Chem Lett 2010 1 2666 2670 p Cu2O n Cu2O复合膜的SEM p nCu2O pH7 0 pH4 9 p nCu2O pH8 0 pH4 9 p nCu2O pH9 0 pH4 9 O R 高分离效率 高活性 p nCu2O同质结的能带结构和电荷转移方向 p nCu2O复合膜的XRD和吸收光谱 A p nCu2O pH7 0 pH4 9 B p n