半导体晶面诱导电荷空间分离机理的理论研究

发布时间：2020-05-29 11:04

【摘要】：半导体晶面效应可以诱导光激发的电子与空穴分别迁移到不同的晶面,减小复合的机会,从而提高电荷分离效率。理解晶面诱导电荷分离的过程可以帮助人们设计出具有高催化活性的光催化剂,但对该电荷分离过程机制的解释还存在很大的争议。针对该争议的问题,本论文采用密度泛函理论计算,选取3种具有代表性的体系TiO2、Cu2WS4和SrTiO3,来研究不同晶面的特性与电荷分离的关系,尝试找出几种解释电荷分离机理之间的联系。获得的主要结果如下:一、表面能的计算结果表明,不同晶面的表面能具有显著差异,且表面能与表面悬键数量成正相关。结合实验上电荷空间分离的结果进一步发现空穴倾向于堆积在具有高表面能的表面,而电子倾向于堆积在相对表面能较低的表面。二、各个晶面的每一层的投影态密度表明,不同的晶面会有不同的能带弯曲情况,从而导致了不同晶面具有不同的价带顶与导带底的能级。这种能级差确实有利于电荷的分离且与实验结果一致,但是这里的能带弯曲的作用范围只有几层原子(约1nm),因此可能作用有限。从表面的能带图与体相投影能带图的对比,可以找出表面态所对应的能带,原子轨道分布计算进一步确认这种表面态只是由表面的原子贡献。三、吸附水分子后,晶面的投影态密度计算结果表明,水分子的吸附对于表面异质结影响很小,并没有改变表面几层原子的能带弯曲情况。四、有效质量的计算结果表明,有效质量沿不同晶面方向的各向异性并不能解释实验上电荷分离现象。从体相能带能量的各向异性中,发现体相能带沿着不同晶面方向能量的各向异性可能是电荷分离的一个重要内在因素。因此,表面异质结和体相能带各向异性两者共同导致了电荷空间分离在不同的晶面上。
【图文】：

逦Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ逡逑ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｓｔ逡逑图１．１半导体光解水示意图１４１１逡逑ｖａｃｕｕｍ邋ｌｅｖｅｌ邋［ｅＶ］逦Ｅ邋ｖｓ邋ＮＨＥ逡逑０厂逡逑ｏ逦１逡逑３邋０邋Ａ邋ｇ邋0－邋ｇ邋ｇ邋１邋0邋？逦．邋0邋ｉ．邋＾邋Ｔ邋Ｉ邋§邋－邋－１．０逡逑４．0＾ｉｙ４邋Ｉ邋ｉ邋ｓ邋Ｉ邋孚邋ｇ逦＾邋二＾邋午千－？邋．逡逑５０＿邋Ｔ逦ＴＴ邋Ｔ邋Ｘ邋Ｓ邋－邋ｎ逡逑？十邋１．０逡逑６邋ｐ邋Ｗ邋ｙｙｑ邋Ｄ．ｐ邋■邋－今邋＿邋＾逦士－N逦二逡逑ｃ0ｒ0ｒ0Ｃｖｉｃｓｉｆ0ｕＳｃ0ｆ0Ｃ＼ｉ0ｊｒ0ｃ0逦ｏｒ＾逡逑＿邋＋邋２．０逡逑？７．０邋－逦N逦－逡逑NN逦NNN逦－＋３．０逡逑－８．０－逦N逦－逡逑图１．２几种常见光催化剂的带隙与价带导带位置［４２］逡逑１．３电荷分离与现有的机理逡逑最近，许多文献报道了在一些半导体材料中，当在溶液中加入ＨＡｕＣＵ、逡逑４逡逑

是由半导体表面态导致的能带弯曲。在清洁的半导体表面，由于表面晶格的周期逡逑性的截断，表面态就会存在。这里的能带弯曲是由于表面和体相的费米能级不同逡逑造成的。如图１．４所示，对于本征半导体，其体相的费米能级与表面的相同，因逡逑此在体相和表面没有电荷转移，能带便是平的。对于ｎ型半导体，体相的费米能逡逑级更靠近导带，因此在没有平衡的状态时比表面的费米能级高。为了达到平衡，逡逑电子便从体相转移到表面，直到两者费米能级相等。在平衡时，能带便向上弯曲。逡逑而对于ｐ型半导体，，体相的费米能级更靠近价带，比表面的费米能级低，电子便逡逑会从表面转移到体相，平衡时，能带便会向下弯曲。逡逑半导体中所谓的能带弯曲主要是由于表面态种类、密度和位置决定的，也和逡逑半导体本身的掺杂种类、浓度等密切相关，其作用范围多为儿十到上百纳米，被逡逑称之为空间电荷层。很多时候
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O649

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本文编号：2686837