測(cè)量材料的帶隙對(duì)半導(dǎo)體、納米材料以及太陽(yáng)能等行業(yè)均非常重要。此篇文章描述了如何從某一材料的紫外吸收光譜確定它的帶隙。
“帶隙”指的是價(jià)帶跟導(dǎo)帶之間的能量差(圖1)；電子能夠從某一能帶躍遷到另一能帶。對(duì)于電子來(lái)說(shuō)要從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，需要一個(gè)一定的最小能量來(lái)躍遷，即帶隙能。1,2
圖1.帶隙的解釋說(shuō)明(點(diǎn)擊查看大圖)
在半導(dǎo)體和納米材料行業(yè)測(cè)量帶隙是非常重要的。絕緣體的帶隙大(>4 eV)，導(dǎo)體的帶隙小(<3 eV)。某一半導(dǎo)體的帶隙特性可以通過(guò)不同的半導(dǎo)體合金得到控制，如GaAlAs，InGaAs和InAlAs。參考文獻(xiàn)1給出了不同材料以及對(duì)應(yīng)的帶隙。
控制材料帶隙參數(shù)的另一個(gè)選擇方案是在硅基底上鍍上不同材料的多層結(jié)構(gòu)，此方法被廣泛應(yīng)用在制作光伏太陽(yáng)能電池的太陽(yáng)能行業(yè)。因?yàn)閹稕Q定了光伏電池所吸收的太陽(yáng)光譜區(qū)域，所以非常重要。3到達(dá)地球的大部分太陽(yáng)輻射是由能量值大于硅帶隙的波長(zhǎng)組成的。這些高的能量將被太陽(yáng)能電池吸收，但是由于能量上的差異部分被轉(zhuǎn)換為熱量而不是可用的電能。因而，除非帶隙得到控制，要不然太陽(yáng)能電池的效率會(huì)非常低。使用具有不同帶隙的不同材料的多層結(jié)構(gòu)被證明是一種有效的最大化太陽(yáng)能電池效率的方法。
在半導(dǎo)體和納米材料行業(yè)，二氧化鈦TiO2作為其中的一種鍍膜材料被使用。TiO2被認(rèn)為可通過(guò)散射從金屬電極反射回的光促進(jìn)內(nèi)部對(duì)光的捕獲，并且可以改善電子載體在活性層間的傳輸。4
01
實(shí)驗(yàn)
根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)測(cè)試納米材料時(shí)樣品量會(huì)非常少且珍貴，所以對(duì)于此類分析采樣方式就成了一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。此實(shí)驗(yàn)在一臺(tái)LAMBDA 1050+紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)(帶有一個(gè)150 mm積分球)完成(珀金埃爾默，Inc.，Shelton，CT USA)，如圖2所示。
圖2.LAMBDA 1050+紫外/可見/近紅外系統(tǒng)帶150 mm積分球(點(diǎn)擊查看大圖)
盛有粉末樣品的樣品架(Prama Industries，Mumbai，India-圖3)夾在積分球的外光窗。使用了一個(gè)微量粉末樣品壓具。
圖3.粉末樣品壓具及樣品杯
積分球的光路圖示于圖4。
圖4.150 mm積分球光路圖(點(diǎn)擊查看大圖)
圖5.UV WinLab™軟件設(shè)置(點(diǎn)擊查看大圖)
樣品的測(cè)試在表1所列的參數(shù)下進(jìn)行：
積分球的入口保持敞開，以最大程度減少鏡面反射分量對(duì)測(cè)試的影響，降低可能在光譜范圍末段產(chǎn)生的干涉條紋等干擾。光譜以吸光度/波長(zhǎng)和反射率/波長(zhǎng)兩種方式記錄。
由于Lambda1050+有兩個(gè)樣品倉(cāng)，可以在第二樣品倉(cāng)安裝積分球，不會(huì)遮擋主樣品倉(cāng)，特別適合此項(xiàng)測(cè)試。
02
結(jié)果和討論
所獲得的TiO2的光譜示于圖6。
圖6.TiO2的紫外/可見吸收光譜(點(diǎn)擊查看大圖)
所記錄的光譜數(shù)據(jù)顯示在410.57 nm有最強(qiáng)烈的截止，此處吸收值最小。R%模式數(shù)據(jù)也同樣可以看到。
03
計(jì)算
結(jié)論
使用同樣的實(shí)驗(yàn)條件和附件，各種粉末狀納米材料的禁帶能值均可計(jì)算出來(lái)。圖7是文獻(xiàn)給出的該實(shí)驗(yàn)其他典型參考光譜。5
圖7.TiO2-(X)ZnFe2O4納米材料的紫外/可見吸收光譜(點(diǎn)擊查看大圖)
X = 不同摩爾濃度的ZnFe2O4
X = 0.01 (暗綠)，0.05 (淺綠)，0.1 (咖啡色)，0.15 (粉色)，0.20 (橘黃色)。
TiO2水解(藍(lán)色)，純 TiO2(紫色)。
使用專門設(shè)計(jì)的微量粉末樣品架的最大特點(diǎn)是：
① 可以直接分析微量的粉末樣品
② 由于專門設(shè)計(jì)的手動(dòng)壓片裝置，粉末被緊緊地的壓進(jìn)杯子里面而且不會(huì)滑到積分球里面
③ 所需樣品量?jī)H需常規(guī)粉末樣品架的1/30
④ 壓片系統(tǒng)能給出非常平整的表面來(lái)進(jìn)行反射實(shí)驗(yàn)
⑤ 用于測(cè)試光束直接照射樣品，將鏡面反射部分降低到了最低
參考文獻(xiàn)
1.Hoffman, M., Martin, S., Choi, W., & Bahnemann, D. (1995).“Environmental applications of semiconductor photo catalysis,”Chemical Review, vol. 95, pp. 69-96.
2.Wikipedia: Bandgap definition and diagram
3.An Investigation of TiO2-ZnFe2O4 Nanocomposites for Visible Light Photo catalysis by Jeremy Wade, A thesis submitted to Department of Electrical Engineering; College of Engineering, University of South Florida, March 24, 2005.
4.Fundamentals of Molecular Spectroscopy; C.N. Banwell University of Sussex, 3rd edition, May 1983.
5.Wikipedia: Effect of TiO2 Nanoparticles on Polymer-Based Bulk Heterojunction Solar Cells
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