当前位置 : 首页 > 技术支持 > 技术支持

【材料表征】

发布时间:2018-11-01 16:53:22

材料表征-紫外-可见漫反射光谱法

  在光催化研究中,固体紫外-可见光谱是研究光催化剂光学性质的一个重要手段。半导体的能带结构一般由低能价带和高能导带构成,价带和导带之间存在禁带。当半导体颗粒吸收足够的光子能量,价带电子被激发越过禁带进入空的导带,而在价带中留下一个空穴,形成电子-空穴对。这种由于电子在带间的跃迁所形成的吸收过程称为半导体的本征吸收。要发生本征吸收,光子能量必须等于或大于禁带的宽度Eg,即
 
hν0是能够引起本征吸收的最低限度光子能量,即当频率低于ν0,或波长大于λ0时,不可能产生本征吸收,吸收系数迅速下降。这种吸收系数显著下降的特征波长λ0(或特征频率ν0)称为半导体材料的本征吸收限。
在半导体材料吸收光谱中,吸光度曲线短波端陡峻地上升标志着材料本征吸收的开始,本征波长与禁带Eg关系可以用下式表示出来:
  因此根据半导体材料不同的禁带宽度可以计算出相应的本征吸收长波限。
 

材料表征-稳态荧光光谱及时间分辨荧光光谱仪

  稳态荧光谱仪一般由激发光源、单色器、试样池、光检测器及读数装置等部件组成。荧光光谱仪的光源主要有弧光灯、固态发光二极管光源以及激光光源。弧光灯通常具有较宽的连续输出波长范围,在稳态荧光光谱仪上的应用最多,通常对于分子荧光检测以及光致发光材料的检测都具有较好的信号。但是对于荧光信号较弱的半导体固体材料,由于弧光灯光源经单色器分光后,其光强较弱相应发射谱信号也较弱,这时很难探测到微弱的荧光信号。但是利用激光光源强度大,单色性好的特点,可以大大提高荧光测定的灵敏度和检测限,以激光为光源的荧光检测技术被称为激光诱导荧光谱(Laser-Induced Fluorescence Spectroscopy, LIF谱)。但是由于激光光源波长单一,因此实际测试中需选取合适的激发波长进行相应的检测。
 
  在光催化及光伏研究中,对于光诱导电荷分离及其迁移过程的深入认识是一个非常关键的科学问题。通过研究半导体光催化材料的荧光衰减动力学信息,对于理解纳米尺度电荷及能量的传输过程都异常重要。通过时间分辨荧光光谱(Time-Resolved Fluorescence Spectroscopy)的测量能够直接获得荧光衰减曲线(荧光强度-时间曲线),从而获得瞬态相关的物理机制,如图1所示。通过对于原始衰变数据的合理拟合,我们可以定性判断在光激发过程中特定的物理机制。
  为了获得荧光寿命,除了测量荧光衰减曲线还必须测量仪器响应函数(即激发脉冲)。因为灯或激光脉冲的时间宽度是有限的,这会使样品本征的荧光反应产生畸变。在典型的实验中,要测量两条曲线:仪器响应函数和荧光衰减曲线。然后把仪器响应函数与模型函数(单指数函数或双指数函数)的卷积与实验衰减结果比较。通过这一迭代数值过程直到与实验衰减曲线一致。
 
图1 实验激光曲线,衰减曲线(点状函数)和最佳数值拟合曲线。真正的指数函数代表了衰减模型。
 

材料表征-表面光电压原理

  表面光电压是固体表面的光生伏特效应,是光致电子跃迁的结果。早在1876 年,W. G. Adams就发现了这一现象,然而直到1948年才将这一效应作为光谱检测技术应用于半导体材料的特征参数和表面特性研究上,这种光谱技术被称为表面光电压技术(Surface Photovoltaic Technique,SPV)或表面光电压谱(Surface Photovoltage Spectroscopy,简称SPS)。表面光电压技术是一种研究半导体特征参数的极佳途径,这种方法是通过对材料光致表面电压的改变进行分析来获得相关信息的。1970年,表面光电压研究获得重大突破,美国麻省理工学院Gates教授领导的研究小组在用低于禁带宽度能量的光照射CdS表面时历史性的第一次获得入射光波长与表面光电压的谱图,并以此来确定表面态的能级,从而形成了表面光电压谱这一新的研究测试手段。
 
  SPS作为一种光谱技术具有许多优点:第一,它是一种作用光谱,可以在不污染样品、不破坏样品形貌的条件下直接进行测试,也可测定那些在透射光谱仪上难以测试的光学不透明样品;第二,SPS所检测的信息主要反映的是样品表层(一般是几十纳米)的性质,因此受基底的影响较弱,这一点对于光敏材料表面的性质及界面电子过程研究显然很重要;第三,由于SPS的原理是基于检测由入射光诱导的表面电荷的变化,因而其具有较高的灵敏度,大约是108 q/cm2(或者说每107个表面原子或离子有一个单位电荷),高于XPS或Auger电子能谱等标准光谱或能谱几个数量级。表面光电压谱可以给出诸如表面能带弯曲,表面和体相电子与空穴复合,表面态分布等信息,是在光辅助下对电子与空穴分离及传输行为研究的有力手段,是评价光催化材料活性的一个十分有效的方法。
 
图2 表面光电压检测装置
 
  表面光电压检测装置主要由光源、单色器、斩波器与锁相放大器、光电压池以及信号采集软件构成,如图2所示。一般采用氙灯作为光源,其在紫外及可见光谱范围光强都比较强。氙灯发射的光经透镜系统处理获得平行出射光,并进入光栅单色仪。经由光栅单色仪可以获得具有较高分辨率的单色光,并经过外部光路引入光电压池。
  由于表面光电压信号非常微弱,并且十分容易受到外界电磁信号干扰,因此表面光电压通常基于锁相放大器进行测量。利用斩波器对入射光信号进行调制,通过锁相放大器获得与斩波器具有相同频率的叠加在较大噪音背景下的微弱光电压信号。这一测试系统即使有用的信号被淹没在噪声信号里面,并且噪声信号比有用的信号大很多,只要知道所采集信号的频率值,就能准确地测量出这个信号的幅值。
除此外,电场诱导的表面光电压谱(Electron-Field-Introduced SPS, EFISPS)是在SPS的基础上,研究在外电场作用下纳米粒子表面光生电子和空穴的迁移及空间电荷层变化的一种作用光谱,也具有非常多的应用。
 

材料表征-表面光电流

  表面光电压谱技术虽然能够获得光催化剂重要的物理及化学性能,但是这种方法所得到的信息同光催化剂在反应中的具体行为之间仍然具有一定的差异,有可能没有完全真实地反映光催化剂在降解污染物过程中所表现出的催化性能。因此,需要一种能直接针对光催化反应体系进行动态测量的手段。但对于悬浮体系很难实现反应过程的动态测量,而对于催化剂电极体系则可以实现反应过程的动态检测,从而为光电催化甚至光催化的动力学及其机理提供有用的信息。
 
  光照射半导体电极会在电路中产生电流,这是由于光电效应的原因,这个电流是由电极发射出来的电子产生的,所以叫做光电流。当入射光的能量大于半导体的能隙宽度时,电子由价带向导带跃迁产生空穴-电子对,光生电子沿导线向另一电极迁移产生电流,并且光电流的强度与入射光的强度成正比。可见,产生的光电流强度与入射光的强度及半导体的本身性质紧密相关,可用光电流谱研究光诱导下光催化剂电子与空穴分离和迁移过程。
 
  目前,常用的方法是首先将光催化剂做成多孔膜电极,以Pt电极作为对电极,组成电解池,在单色光照射下,检测产生的光电流。在光催化剂薄膜上的光诱导电子分离效果如图3所示。图中所示利用光催化剂溶胶制作的薄膜,颗粒之间是紧密结合在一起的,并且具有多晶半导体膜的光电化学特性。在有紫外光照射的条件下,光致空穴向颗粒/溶液界面上移动,而光致电子则移向OTE/ Photocatalyst电极[9]。



材料表征产品推荐
材料评价催化光光热协同热催化