半导体超微粒的光电化学.pdfVIP

单 半 导 体 超 微 粒 的光 电化 学 … … 粒 … … 近十年来 ，小粒子 (smallparticle)或超 微粒子 (ultrafineparticle)的研究在化学 ，物 一 、 半导体块体的光电化学特性 理，材料学科等领域中兴起 ．超微粒子是指 粒径在 lnm～几十 nm，或聚集数从十到几百 为了更好地理解半导体超微粒的光电化学 范围的物质m． 特性，我们先简单介绍半导体块体的光 电化学 块体 (bulkmaterial，如金属、半导体)的 特性． 性质并不是单个原子或分子本身的性质，而是 当半导体 电极摄在电解质溶液中时，由于 由许多原子或分子在晶格中的周期排 列造 成 它们之间相互作用，在界面附近发生了变化 ．n 的 ．当晶体的尺寸在纳米级范围内连续减小时， 型半导体与溶液未接触之前，半导体费米能级 存在一个从金属或半导体的性质剐分子或原子 高于溶液中氧化还原对 (ox十 e— red)的 的性质的逐渐过度。在这个变化范围内，半导 费米能级 Er|d 见图 1(a)．当它们接触时， 体的光学性质有很大变化，金属的电化学行为 电子总要从高的费米能级流向低的费米能级， 也发生了变化 。这被称为 “尺寸量子化 效 应 因此 电子就从半导体一侧流向溶液，直至达到 (sizequantlzationeffects)．同时当半导体的尺 平衡状态．这时半导体带正电形成了电子耗尽 寸在纳米范围时，其粒子尺寸小于载流子的自 层 ，能带向上弯曲 且E 和 EⅢ。处在同一水 由程 ，因此能降低光生载流子的复合 ，提高光能 平线上，见图 l(b)．对于 P型半导体情况正相 利用效率．所以，超微粒子在材料学、化学、太 反，未接触时 低于 E。。“I．当接触时 ，电子 阳能利用、催化、废水处理等方面有着诱人的前 是从溶液一侧流 向半导体．达到平衡状态时，半 景． 导体带负电形成空穴耗尽层，能带向下弯曲．半 近十年来，Henglein 和 Gr~tzel对超微 导体 内能带弯曲的区间称空间电荷区．它的宜 粒悬浮体系进行了系统的研究 “～，主要工作 度可由下式计算 ： 为将超微粒作为光助的 自由基反应的催 化 剂． 一 ／ 在这些反应中，类似于 电化学中的电极反应 。电 eN 子通过粒子一溶液界面迁越．因而，常将超微粒 式中8。表示真空中介 电常数，s为半导体材料 称作 “微 电极”．Bard也成功地用 Ti 微粒 的相对介 电常数 ， 为电子电量 ，Ⅳ是半导体载 悬浮在水中作为光敏化剂和 催 化剂 “．Mi— 流子浓度，一般取多子浓度，△9表示能带弯曲 yoshi等 和 Lindqulst等 将超微粒固定在 量 ( ·△ )中的电位差．而能带弯曲量是_J 电极表面 ，研究在不同极化 电势下 微粒内的 以通过外加 电极 电势 或人射光的强度来改变 光 生 载 流 子与溶液中的氧化还景对的反应过 的．对于n型半导体，调节 往负方向变化，将 程，探索新一代廉价、高效的太阳能电池． 使能带弯心量减小．对于 p型半导体 ，调节E 7 z，卷 5翅 一 n羞串导体 墙疆 *蔓半导体 羹蠢 (a】 fb1 tc) 图1 n型半导体和台有氧化还原对