半導體光催化材料的制備與改性范文
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摘要:半導體光催化劑有很多種制備方法，本文主要介紹磁控濺射法、溶膠-凝膠法和電沉積法。單一的半導體光催化劑存在一定的局限性，限制了其性能。本文研究了利用肖特基勢壘和異質結結構對半導體光催化材料進行改性，提高光催化性能。
1緒論半導體光催化的研究
起源于上個世紀七十年代和八十年代早期，主要涉及將太陽能轉化為化學能的光電化學系統和微光電化學系統。第一個光分解水的光電化學系統由日本的科學家Fujishima和Hinda［2］開發，他們將TiO2光電陽極和Pt電極耦合組成一個電化學電池。當光照射TiO2電極表面，電流通過外電路從Pt電極流向TiO2電極。電流的方向表明氧化反應發生在TiO2電極，還原反應發生在Pt電極。實驗發現，通過可見光照射，不需要任何外界電壓，可以分解為氧氣和氫氣。
2制備方法
2．1磁控濺射法
磁控濺射法制備的薄膜致密并且具有良好的附著性，可重復性強。在濺射過程中，靶材作為陰極，基片為陽極，它們之間加有數千伏的電壓，當把腔體抽至真空(8*10-4Pa)后，通入合適的惰性氣體(通常為氬氣)，并將其調節至恰當的流速，由于高壓放電的作用，通入的氣體分子將被電離，電子移動至陽極，陽離子由于高壓電場作用，加速運動撞擊靶材并釋放大量能量。靶材中的原子由于受到撞擊獲得較高的能量，脫離靶材的束縛飛向襯底，并在襯底上沉積出相應的薄膜。［3］
2．2溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法是一種條件溫和的制備方法。它是以無機鹽或是有機鹽為原料，使其在溶液中發生水解和縮聚反應，充分攪拌，形成透明的溶膠體系，溶膠經過陳化，顆粒發生縮聚，形成三維網狀的凝膠，凝膠再經過烘干煅燒得到薄膜。和其他制備工藝相比較，該方法具有很多優點:制備過程溫度低，能得到均勻、高純的薄膜，實驗儀器簡單，操作簡便，成本低。同時，溶膠-凝膠法也存在一定的缺點:該方法涉及的原料大部分均為有機物，長時間接觸對人體有危害。并且在操作過程中若時間處理不當，薄膜容易開裂。
2．3電沉積法
電沉積法是一種自底部向上生長的一種方法，由于電化學反應發生在電極的表面，因此它具有一種追蹤的能力。與其他自底向上的方法相比，電沉積法是一種簡單的、具有成本效益的、可擴展的方法，可以獲得連續的、均勻的薄膜，不需要高溫處理也不需要在真空條件下進行，操作起來更為簡便;此外，該技術還能夠在形狀不規則和表面不規則的基底上生長均勻的薄膜材料，并且對基底的尺寸沒有嚴格的要求，能夠進行大面積的生長。制備過程中，通過調節沉積電流、沉積電壓、溶液成分、溶液pH、沉積時間等參數，可以調整所生長薄膜的物理結構及化學性質。
3半導體光催化材料的改性
3．1肖特基勢壘當金屬與半導體相互接觸，兩種材料的費米能級在熱平衡時必須相等;此外，真空能級必須是連續的，因此其分界面處的能帶將發生彎曲，形成一個勢壘，稱之為肖特基勢壘。肖特基的勢壘高度φBn等于金屬功函數φm(金屬費米能級與真空能級之差)與半導體的電子親和勢Χ(半導體導帶與真空能級之差)之差。如下圖(a)和(b)所示，當金屬與n型半導體相接觸時，由于半導體的逸出功一般比金屬的小，電子從半導體流入金屬，在半導體表面形成一個由帶正電不可移動的雜質離子組成的空間電荷區，在此區中存在一個由半導體指向金屬的電場，猶如筑起一座高墻，阻止半導體中的電子繼續流入金屬，在界面處半導體的能帶向上彎曲，形成一個高勢能區，即肖特基壘。電子必須高于這一勢壘的能量才能越過勢壘流入金屬。同理，金屬與p型半導體相接觸時，能帶則向下彎曲。
3．2半導體異質結異質結指兩種不同的半導體相接觸，形成的界面部分。根據半導體的類型，可以分為兩種:p-n結和n-n結，催化原理基本一致。［4］p-n結即p型半導體與n型半導體相接觸，如下圖所示。當光照射在異質結上，載流子會發生轉移，從而在界面處產生內建電場，電子與空穴向相反的方向移動。當入射光子的能量大于等于半導體禁帶寬度(Eg)時，光生電子直接從p型半導體的導帶移動至n型半導體的導帶，同樣的，光生空穴從n型半導體價帶移動至p型半導體的價帶。
4結論
本文首先對半導體光催化材料的制備方法進行詳細的介紹，發現磁控濺射法制備的薄膜最為致密，電沉積法更適合大面積生長薄膜，溶膠-凝膠法制備過程最為簡便。但是，單一的半導體材料存在一定問題:對太陽光的吸收主要分布在紫外光部分，對可見光的吸收較少;光照時，雖然半導體產生的電子空穴對很多，但載流子在轉移過程中的復合率也很高。為了解決此類問題，本文介紹了兩種結構:肖特基勢壘和異質結結構，能夠大大改善材料的光催化性質。
作者：朱麗 單位：蘇州大學物理與光電能源學部
