測量材料的帶隙對半導體、納米材料以及太陽能等行業(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”指的是價帶跟導帶之間的能量差(圖1)；電子能夠從某一能帶躍遷到另一能帶。對于電子來說要從價帶躍遷到導帶，需要一個一定的最小能量來躍遷，即帶隙能。1,2
圖1.帶隙的解釋說明(點擊查看大圖)
在半導體和納米材料行業(yè)測量帶隙是非常重要的。絕緣體的帶隙大(>4 eV)，導體的帶隙小(<3 eV)。某一半導體的帶隙特性可以通過不同的半導體合金得到控制，如GaAlAs，InGaAs和InAlAs。參考文獻1給出了不同材料以及對應的帶隙。
控制材料帶隙參數(shù)的另一個選擇方案是在硅基底上鍍上不同材料的多層結構，此方法被廣泛應用在制作光伏太陽能電池的太陽能行業(yè)。因為帶隙決定了光伏電池所吸收的太陽光譜區(qū)域，所以非常重要。3到達地球的大部分太陽輻射是由能量值大于硅帶隙的波長組成的。這些高的能量將被太陽能電池吸收，但是由于能量上的差異部分被轉換為熱量而不是可用的電能。因而，除非帶隙得到控制，要不然太陽能電池的效率會非常低。使用具有不同帶隙的不同材料的多層結構被證明是一種有效的最大化太陽能電池效率的方法。
在半導體和納米材料行業(yè)，二氧化鈦TiO2作為其中的一種鍍膜材料被使用。TiO2被認為可通過散射從金屬電極反射回的光促進內部對光的捕獲，并且可以改善電子載體在活性層間的傳輸。4
01
實驗
根據(jù)以往經(jīng)驗測試納米材料時樣品量會非常少且珍貴，所以對于此類分析采樣方式就成了一個關鍵問題。此實驗在一臺LAMBDA 1050+紫外/可見/近紅外分光光度計(帶有一個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(點擊查看大圖)
圖5.UV WinLab™軟件設置(點擊查看大圖)
樣品的測試在表1所列的參數(shù)下進行：
積分球的入口保持敞開，以最大程度減少鏡面反射分量對測試的影響，降低可能在光譜范圍末段產生的干涉條紋等干擾。光譜以吸光度/波長和反射率/波長兩種方式記錄。
由于Lambda1050+有兩個樣品倉，可以在第二樣品倉安裝積分球，不會遮擋主樣品倉，特別適合此項測試。
02
結果和討論
所獲得的TiO2的光譜示于圖6。
圖6.TiO2的紫外/可見吸收光譜(點擊查看大圖)
所記錄的光譜數(shù)據(jù)顯示在410.57 nm有最強烈的截止，此處吸收值最小。R%模式數(shù)據(jù)也同樣可以看到。
03
計算
結論
使用同樣的實驗條件和附件，各種粉末狀納米材料的禁帶能值均可計算出來。圖7是文獻給出的該實驗其他典型參考光譜。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(藍色)，純 TiO2(紫色)。
使用專門設計的微量粉末樣品架的最大特點是：
① 可以直接分析微量的粉末樣品
② 由于專門設計的手動壓片裝置，粉末被緊緊地的壓進杯子里面而且不會滑到積分球里面
③ 所需樣品量僅需常規(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進行反射實驗
⑤ 用于測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
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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