一種調(diào)制光與非調(diào)制光相結(jié)合的表面光電壓測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于新能源開發(fā)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種調(diào)制光與非調(diào)制光相結(jié)合的新型光電功能材料表面光電壓的測量方法，通過測量表面光電壓可以來表征材料光生電荷傳輸特性。
【背景技術(shù)】
[0002]新型光電功能材料的研宄與制備對解決能源與環(huán)境問題起到至關(guān)重要的作用，而對材料的光電性能的檢測在新型光電材料的研宄與發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用。表面光電壓譜是一種非常有前景的光電性能檢測手段，具有靈敏度高、操作簡單、無損樣品等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于解析光電材料光生電荷行為的研宄中(參見Surface photovoltagephenomena:theory, experiment, and applicat1ns，Surface Science Reports.1999，37，
1-206)o
[0003]表面光電壓譜可以用來研宄光生電荷在半導(dǎo)體光電功能材料的表面效應(yīng)與界面效應(yīng)影響下的光生電荷行為。2004年，Lin Yanhong等人用表面光電壓譜證明了量子點(diǎn)ZnO半導(dǎo)體光電材料量子限域效應(yīng)的存在(參見A Study of QuantumConfinement Properties of Photogenerated Charges in ZnO Nanoparticlesby Surface Photovoltage Spectroscopy, The Journal of Physical Chemistry
B.2004，108，3202-3206)。2010年，Dieter Gross等人用表面光電壓譜成功的證明了Type II型半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光生電荷傳輸方向(參見Charge Separat1n in TypeII Tunneling Multilayered Structures of CdTe and CdSe Nanocrystals DirectlyProven by Surface Photovoltage Spectroscopy, Journal of the American ChemicalSociety.2010，132，5981 - 5983)。
[0004]然而，仍然有許多光電現(xiàn)象無法通過已報(bào)導(dǎo)過的表面光電壓檢測手段來證明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種調(diào)制光與非調(diào)制光相結(jié)合的表面光電壓測量方法，通過對表面光電壓的測量可以得到更加豐富的半導(dǎo)體光電材料的表面與界面信息。
[0006]常規(guī)表面光電壓測量方法如圖1所示。本發(fā)明所述的一種調(diào)制光與非調(diào)制光相結(jié)合的雙光體系表面光電壓測量方法如圖2所示，其具體步驟如下:
[0007](I)將待測樣品置于ITO導(dǎo)電玻璃底電極上，用10?40 μ m厚的云母片覆蓋待測樣品，再在云母片上覆蓋上電極；在光電壓樣品池內(nèi)，ITO導(dǎo)電玻璃底電極通過樣品池導(dǎo)線連出接地，上電極通過樣品池導(dǎo)線連出接鎖相放大器的信號輸入端，鎖相放大器的信號輸出端連接計(jì)算機(jī)；
[0008](2)打開光源，使調(diào)制光與非調(diào)制光同時(shí)照射到待測樣品上(常規(guī)表面光電壓測量中不使用非調(diào)制光照射)，待測樣品由于光照之后光生電荷在表面或界面電場的作用下產(chǎn)生定向移動(dòng)，從而在上下電極間產(chǎn)生電勢差，即為光電壓信號(具體原理參見Surfacephotovoltage phenomena: theory, experiment, and applicat1ns，Surface ScienceReports.1999，37，1-206);待測樣品底電極和上電極間產(chǎn)生的光電壓信號經(jīng)鎖相放大器放大后，輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)記錄待測樣品的光電壓信號強(qiáng)度值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對待測樣品表面光電壓的測量。
[0009]其中，激光器或LED發(fā)出的波長300?lOOOnrn、光強(qiáng)0.lmW/cm2?100mW/cm2的單色光作為非調(diào)制光；氙燈通過單色儀后分散出來的波長1000?200nm(掃描過程應(yīng)由長波向短波方向掃描，對應(yīng)由低光子能量向高光子能量方向掃描)的單色光再通過斬波器后獲得的頻率為10?2000Hz的光作為調(diào)制光；其中，具體測量時(shí)非調(diào)制光的波長和調(diào)制光的具體掃描范圍(固定波長，變化頻率；或固定頻率，變化波長)根據(jù)待量樣品的帶隙確定，光子能量必須可以激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生光生電子空穴對。
[0010]其中，待測樣品可以是有機(jī)、無機(jī)半導(dǎo)體以及有機(jī)/無機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體光電材料(有機(jī)半導(dǎo)體如雜多酸、撲啉、酞菁、茈類等；無機(jī)半導(dǎo)體如二氧化鈦、氧化鋅、硫化鎘、鈦酸鍶、三氧化二鐵等；有機(jī)無機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體如二氧化鈦硫化鎘復(fù)合材料，二氧化鈦卟啉復(fù)合材料)，可以是粉末、單晶或薄膜；上電極是ITO或Pt金屬網(wǎng)。
[0011]進(jìn)一步地，調(diào)制光從上電極照射待測樣品的正面，非調(diào)制光可以從上電極照射待測樣品的正面，也可以從下電極照射待測樣品的背面。
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有表面光電壓測量技術(shù)相比，可以提供以下有效信息:
[0013]I)本發(fā)明采用雙光體系測量半導(dǎo)體光電材料的光電壓，當(dāng)特定波長的非調(diào)制單色光(基于被測樣品帶隙選擇，光子能量必須可以激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生光生電子空穴對)從上電極入射時(shí)，可以給出更加豐富的半導(dǎo)體光電材料的表面態(tài)信息，比如通過非調(diào)制單色光的照射，使光電材料的表面態(tài)被布居，從而得到在調(diào)制光照射下的與體相光生電荷相關(guān)的光電壓信號，與常規(guī)測量體系下調(diào)制光照射下的與表面態(tài)光生電荷相關(guān)的光電壓信號相比較，可以給出被表面態(tài)捕獲的光生電荷與體相光生電荷壽命的對應(yīng)關(guān)系。
[0014]2)本發(fā)明采用雙光體系測量半導(dǎo)體光電材料的光電壓，當(dāng)特定波長的非調(diào)制光從下電極入射時(shí)，可以用來證明全固態(tài)Z-型體系界面光生電荷轉(zhuǎn)移過程。
[0015]3)本發(fā)明具有操作簡單、給出光電材料表面與界面信息豐富等特點(diǎn)，是對表面光電壓技術(shù)的有效補(bǔ)充。
[0016]本發(fā)明在常規(guī)表面光電壓測試的基礎(chǔ)上，通過與調(diào)制光同側(cè)或異側(cè)的非調(diào)制光的引入，可以直接檢測半導(dǎo)體表面態(tài)對光生電荷的捕獲作用，體相光生電荷的動(dòng)力學(xué)迀移過程，以及全固態(tài)Z型界面半導(dǎo)體復(fù)合體系的光生電荷迀移行為。本發(fā)明的調(diào)制光與非調(diào)制光相結(jié)合的技術(shù)手段，通過簡單的非調(diào)制光的引入，提供半導(dǎo)體材料表面與界面光生電荷的重要信息，拓展了表面光電壓譜的內(nèi)涵，豐富了表面光電壓譜的檢測體系。本發(fā)明采用調(diào)制光與非調(diào)制光相結(jié)合的手段，具有樣品無損、操作簡單、檢測快速的特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0017]圖1:常規(guī)表面光電壓測量方法示意圖；
[0018]圖2:雙光體系表面光電壓測量方法示意圖；
[0019]其中，各部分名稱為:氙燈1、單色儀2、斬波器(調(diào)制扇)3、透鏡4、反射鏡5、調(diào)制光6、鎖相放大器7、計(jì)算機(jī)8、非調(diào)制光9。
[0020]圖3:實(shí)施例1CdS納米線表面光電壓裝樣方法；
[0021]各部分名稱為:調(diào)制光6、非調(diào)制光9、上電極10、下電極11、云母片12、CdS納米線13 ；
[0022]圖4:實(shí)施例1常規(guī)體系CdS納米線表面光電壓譜圖；
[0023]圖5:實(shí)施例1雙光體系CdS納米線表面光電壓譜圖；
[0024]圖6:實(shí)施例1常規(guī)體系CdS納米線基于調(diào)制頻率的表面光電壓譜圖；
[0025]圖7:實(shí)施例1雙光體系CdS納米線基于調(diào)制頻率的表面光電壓譜圖；
[0026]圖8:實(shí)施例2雙光體系T12-T1-ZnFe2O4三元結(jié)構(gòu)表面光電壓測量模型(檢測T12—側(cè)信號)；
[0027]各部分名稱為:調(diào)制光6、非調(diào)制光9、上電極10、下電極11、云母片12、Ti0jl 14、Ti 層 15、ZnFe2O4層 16 ；
[0028]圖9:實(shí)施例2常規(guī)體系T12—側(cè)表面光電壓譜圖；
[0029]圖10:實(shí)施例2ZnFe204—側(cè)非調(diào)制光照射下T1 2—側(cè)表面光電壓譜圖；
[0030]圖11:實(shí)施例2雙光體系T12-T1-ZnFe2O4三元結(jié)構(gòu)表面光電壓測量模型(檢測ZnFe2O4^U信號);
[0031]各部分名稱為:調(diào)制光6、非調(diào)制光9、上電極10、下電極11、云母片12、Ti0jl 14、Ti 層 15、ZnFe2O4層 16 ；
[0032]圖12:實(shí)施例2常規(guī)體系ZnFe2O4—側(cè)表面光電壓譜圖；
[0033]圖13:實(shí)施例2Ti02—側(cè)非調(diào)制光照射下ZnFe 204—側(cè)表面光電壓譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面通過具體實(shí)施例來說明本發(fā)明，但不限于此。
[0035]本發(fā)明實(shí)施例所用原料均為市售分析純產(chǎn)品，使用前未經(jīng)進(jìn)一步純化。
[0036]實(shí)施例1
[0037](I)測量樣品為乙二胺水熱法合成的硫化鎘納米線(合成方法參見SolvothermalSynthesis of CdS Nanowires for Photocatalytic Hydrogen and ElectricityProduct1n, The Jo