表面光伏谱Surface Photovoltage Sectroscopy

王翔2013.07.17

表面光电压谱仪结构图

光源控制器光源控制器

光源光源

N2瓶N2瓶

冷凝水冷凝水单色仪单色仪

锁相放大器锁相放大器

斩波器斩波器计算机计算机

聚焦镜

样品

样品池 白光单色光

注意：测量到的电压为感应电压，而非直接的半导体材料表面与体相的电势差。

样品制备

FTO

FTO

绝缘层可用云母片，越薄越好绝缘层可用云母片，越薄越好

样品样品

hv

接红色信号线即： 高频插座电芯

接红色信号线即： 高频插座电芯

接蓝色信号线即： 高频插座外壳

接蓝色信号线即： 高频插座外壳

表面光电压谱仪操作步骤1. 开机

开计算机 打开单色仪 打开锁相放大器 打开斩波器

2. 开灯开冷凝水，使温度保持在 18度

打开 N2气，使压强在 0.1MPa

开灯

3. 准备样品将样品按照上图制备后，将样品池置于聚焦光下，将信号线连接锁相放大器 A通道。

打开软件ZolixScanBasic

右侧“谱线图控制”

4. 数据采集

设置 选项 在 A通道和 B通道选择需要测定的物理量

设置 运行参数

修改“开始位置”和“结束位置”

插入 保存

5. 数据保存选择要保存的谱线

光标移至谱线处

右击选择“当前谱线到 Text文本”

6. 关机斩波器 锁相放大器 单色仪 开计算机ZolixScanBasic软件

按 F5 进行数据采集

表面光伏谱的产生原理体相 表面

N 型半导体存在表面向上的能带弯曲

当半导体受到光照时，由于光生电子与空穴的迁移方向不同，产生光生电场，导致空间电荷层变薄，也就是内建电场减弱，随之带来势垒的降低

光照前后，势垒的变化量，即为 SPV 信号

产生表面光伏的其他情况

激发光能量小于禁带宽度，但是满足已被电子占据表面态到导带，或价带到空的表面态电子跃迁的能量，同样可以造成势垒在光照前后的变化

势垒增加 势垒降低

electric-field induced surface photovoltage spectroscopy 电场诱导表面光电压谱 (EFISPS)

外加电场与内建电场相反， SPV 信号减弱

V’s为光照下的势垒 V’’s为电场作用下光照时的势垒

Vos为暗态下的势垒

外加电场与内建电场相同， SPV 信号增强

SPS 在光催化中的应用禁带宽度的确定粒子大小的比较

200 nm

12 nm

25 nm18 nm

表面物种的作用

Overall Photocatalytic Water Splitting with NiOx-SrTiO3 – A Revised MechanismEnergy and Environmental Science

NiO 为氧化助剂， Ni 为还原助剂

开尔文探针测试系统

表面物种的作用效果例如：助催化剂的效果评价

ZnO

0.5 wt% Ag/ZnO

0.75 wt% Ag/ZnO0.75 wt% Ag/ZnO 光电压信号最小说明到达表面的电子较多。

例如：助剂担载量的多少会影响助剂在半导体材料上的分布，以及粒子大小。从而影响电荷的运动和分布

0.5 wt% Pd/ZnO

0.75 wt% Pd/ZnO

0.75 wt% Pb 已经过量

TPV 在光催化中的应用电子空穴的转移

电子由体相的 Fe3O4

转移到 Fe2O3

Xiao Wei, Dejun Wang, et al., J. Phys. Chem. C 2011, 115, 8637–8642

总结SPS 实验简单，可以灵敏的反应表面电荷的迁移情况，如果实验设计巧妙，可用于以下几个方面的研究：1.能带宽度2.粒子大小的比较3.光催化剂响应的波长区域4.表面物种的作用的判断5.表面物种担载量对其光催化效果的判断6.电子空穴的转移情况