光电化学
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895 mV
np
0 0
CPD 220 mV
Potential (V)
2.5
2.0
CPD:
1.03 V
1.5
1.0
0.5
0.0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Distance (nm)
Illuminated with a laser beam
(3mW, 670nm)
思考题 2
5、表面光电压谱和表面光电流（光电导）谱
确定材料的禁带宽度(Eg)
ZnO的禁带宽度： Eg=1240/0 =1240/385 =3.22 eV 理论值为3.2 eV
Photovoltage(mV)
0.5
0.4
0.3
0.2
385nm
0.1
0.0
300
350
400
450
500
550
600
Wavelength (nm)
Appl. Phys. Lett. 88, 1 2006
InAlAs/InGaAs异质结
1 nm
B
InP
InGaAs InAlAs 5.10eV 4.91eV
20 nm
2250 nm
B
299
InAlAs
mV
InGaAs
0 0
CPD 180 mV
B
20 nm
2250 nm
GaAs pn结超晶格
B
AlAs
point
Fe2O3 和Fe3O4 的功函测量
E0 5.35eV 5.2eV 5.1eV
Au
Fe2O3
Fe3O4
例如：利用金探针测量得到CPDFe2O3=250mV，那么 Fe2O3的功函是多少？
和Kelvin 探针力显微镜(KFM)
InAs InGaAs
TiO2-WO3
J. Appl. Phys. 108, 023711 2010
2、扫描隧道谱(STS)
J. Appl. Phys. 108, 023711 2010
1.7eV
Nano Res (2010) 3: 604–611
3、电化学方法
循环伏安法
2.4eV
LUMO 导带底
HOMO 价带顶
费米能级位置 参比电极相关
如何利用循环伏安 曲线确定能带图？
电化学法测平带电位
确定导带底的位置 n型半导体确定导带底的位置 P型半导体确定价带顶的位置
能量损失谱、俄歇电子能谱、离子散射谱等
XPS of Pd
思考题 2
一、紫外光电子能谱(UPS) 和反光电子能谱(IPES)
禁带宽度 价带
Alq3
(tris(8-hydroxyquinoline)aluminum),
CuPc
(copper phthalocyanine)
导带
费米能级
S-C3N4
C3N4
思考题 2
能带结构的确定：理论计算
理论计算：解薛定谔方程 具体方法：紧束缚法、维格纳-赛茨法、赝势法
E(k)和k的关系 (a) E(k)和k的关系 (b) 能带 (c) 简约的布里源区
思考题 2
能带结构的确定：实验测量
实验测量：主要测量技术是光电子能谱 X射线光电子能谱(XPS)和紫外光电子能谱(UPS)
ZnO的表面光电压谱
思考题 2
表面态位置和属性的确定
2
例如：2是价带到表面态的跃迁，能量为2eV，能带图中画 出表面态的具体位置。
思考题 2
6、荧光光谱
表面态与缺陷态相对导带或价带的位置
本征半导体
本征激发：半导体在温度升高或光照时受到激发，载流子(电 子和空穴)是成对产生的。
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体,或电子浓 度和空穴浓度相等的半导体 。
• UPS通常光源能量较低21.22eV(HeI)、40.81eV(HeII)、 16.67eV(NeI)和26.81eV(NeII)
• XPS主要研究对象：内层电子（基本上摆脱化学键的内 壳层电子），有关原子的特征性质，确定元素种类。
• UPS主要研究对象：价层电子
• UPS的灵敏度通常比XPS高2个数量级。
S-C3N4
Q-S-C3N4
JMCS 2010，132（33） 11642-11648
Dຫໍສະໝຸດ BaiduA碱基 理论计算和UPS
理论计算结果 UPS
Science and Technology of Advanced Materials 7 (2006) 705–710
XPS和UPS区别
• XPS 通 常 的 光 源 能 量 高 ， 软 X 射 线 ： 1487eV(Al) 和 1254eV (Mg)，硬X射线：8048eV(Cu)和5415eV(Cr)
实践表明，极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理和化学性质产生 决定性的影响。例如：105硅原子中掺一个硼原子，室温下电导率增加103倍
由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期性排列的原子所产生的周期性势 场受到破坏，有可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态(能级)。正是由 于这些能级的引入，才使他们对半导体的性质产生决定性的影响。
J. Lv, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 6157.
思考题 2
4、Kelvin 探针技术
功函(费米能级)确定
CPD(mV)
250
200
WFFe3O4＝5.2eV 150 WFFe2O3＝5.35eV
100
Fe O 32
Fe O 43
50 0
500
1000
1500
2000
光电化学
半导体物理基础
光电化学分解水实验
思考题：
1、什么是能带？画出n或p型半导 体的能带图。
2、如何获得所制备材料能带结构 的信息(导带底位置、价带顶位置、 费米能级位置、禁带宽度、表面态 位置等)？
思考题 1
能带
在固体中，电子只能取限定的能量值(每个能量值对应一个 能级)，由这些允许能级组成的带，即称为能带。价电子所填 充的允带即成为价带，距离价带最近的未填充的允带为导带， 价带的能量最大值与导带能量最小值之间的能量差值叫禁带 宽度或能隙,也就是说电子从价带跃迁到导带所需要的最小能 量。
本征激发过程
本征激发与温度和禁 带宽度相关：
温度越高，本征激发 的几率越大
禁带宽度越大，本征 激发的几率越小
1、电子和空穴的浓度始终相等 2、费米能级的位置处于禁带的中央
本征半导体能带示意图
真空能级 E0
E
导带底 Ec
电
费米能级 Ef
子 能
价带顶 Ev
量
杂质半导体----杂质和缺陷能级
实际当中，半导体材料总是存在缺陷和杂质 1、原子在其平衡位置附近振动 2、含有杂质，即其它化学元素原子 3、实际晶体结构不完整， 存在点缺陷(空位、间隙原子) 线缺陷(位错)、面缺陷(层错、晶粒间界)
np
0 0
CPD 220 mV
Potential (V)
2.5
2.0
CPD:
1.03 V
1.5
1.0
0.5
0.0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Distance (nm)
Illuminated with a laser beam
(3mW, 670nm)
思考题 2
5、表面光电压谱和表面光电流（光电导）谱
确定材料的禁带宽度(Eg)
ZnO的禁带宽度： Eg=1240/0 =1240/385 =3.22 eV 理论值为3.2 eV
Photovoltage(mV)
0.5
0.4
0.3
0.2
385nm
0.1
0.0
300
350
400
450
500
550
600
Wavelength (nm)
Appl. Phys. Lett. 88, 1 2006
InAlAs/InGaAs异质结
1 nm
B
InP
InGaAs InAlAs 5.10eV 4.91eV
20 nm
2250 nm
B
299
InAlAs
mV
InGaAs
0 0
CPD 180 mV
B
20 nm
2250 nm
GaAs pn结超晶格
B
AlAs
point
Fe2O3 和Fe3O4 的功函测量
E0 5.35eV 5.2eV 5.1eV
Au
Fe2O3
Fe3O4
例如：利用金探针测量得到CPDFe2O3=250mV，那么 Fe2O3的功函是多少？
和Kelvin 探针力显微镜(KFM)
InAs InGaAs
TiO2-WO3
J. Appl. Phys. 108, 023711 2010
2、扫描隧道谱(STS)
J. Appl. Phys. 108, 023711 2010
1.7eV
Nano Res (2010) 3: 604–611
3、电化学方法
循环伏安法
2.4eV
LUMO 导带底
HOMO 价带顶
费米能级位置 参比电极相关
如何利用循环伏安 曲线确定能带图？
电化学法测平带电位
确定导带底的位置 n型半导体确定导带底的位置 P型半导体确定价带顶的位置
能量损失谱、俄歇电子能谱、离子散射谱等
XPS of Pd
思考题 2
一、紫外光电子能谱(UPS) 和反光电子能谱(IPES)
禁带宽度 价带
Alq3
(tris(8-hydroxyquinoline)aluminum),
CuPc
(copper phthalocyanine)
导带
费米能级
S-C3N4
C3N4
思考题 2
能带结构的确定：理论计算
理论计算：解薛定谔方程 具体方法：紧束缚法、维格纳-赛茨法、赝势法
E(k)和k的关系 (a) E(k)和k的关系 (b) 能带 (c) 简约的布里源区
思考题 2
能带结构的确定：实验测量
实验测量：主要测量技术是光电子能谱 X射线光电子能谱(XPS)和紫外光电子能谱(UPS)
ZnO的表面光电压谱
思考题 2
表面态位置和属性的确定
2
例如：2是价带到表面态的跃迁，能量为2eV，能带图中画 出表面态的具体位置。
思考题 2
6、荧光光谱
表面态与缺陷态相对导带或价带的位置
本征半导体
本征激发：半导体在温度升高或光照时受到激发，载流子(电 子和空穴)是成对产生的。
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体,或电子浓 度和空穴浓度相等的半导体 。
• UPS通常光源能量较低21.22eV(HeI)、40.81eV(HeII)、 16.67eV(NeI)和26.81eV(NeII)
• XPS主要研究对象：内层电子（基本上摆脱化学键的内 壳层电子），有关原子的特征性质，确定元素种类。
• UPS主要研究对象：价层电子
• UPS的灵敏度通常比XPS高2个数量级。
S-C3N4
Q-S-C3N4
JMCS 2010，132（33） 11642-11648
Dຫໍສະໝຸດ BaiduA碱基 理论计算和UPS
理论计算结果 UPS
Science and Technology of Advanced Materials 7 (2006) 705–710
XPS和UPS区别
• XPS 通 常 的 光 源 能 量 高 ， 软 X 射 线 ： 1487eV(Al) 和 1254eV (Mg)，硬X射线：8048eV(Cu)和5415eV(Cr)
实践表明，极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的物理和化学性质产生 决定性的影响。例如：105硅原子中掺一个硼原子，室温下电导率增加103倍
由于杂质和缺陷的存在，会使严格按周期性排列的原子所产生的周期性势 场受到破坏，有可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态(能级)。正是由 于这些能级的引入，才使他们对半导体的性质产生决定性的影响。
J. Lv, J. Phys. Chem. C, 2010, 114, 6157.
思考题 2
4、Kelvin 探针技术
功函(费米能级)确定
CPD(mV)
250
200
WFFe3O4＝5.2eV 150 WFFe2O3＝5.35eV
100
Fe O 32
Fe O 43
50 0
500
1000
1500
2000
光电化学
半导体物理基础
光电化学分解水实验
思考题：
1、什么是能带？画出n或p型半导 体的能带图。
2、如何获得所制备材料能带结构 的信息(导带底位置、价带顶位置、 费米能级位置、禁带宽度、表面态 位置等)？
思考题 1
能带
在固体中，电子只能取限定的能量值(每个能量值对应一个 能级)，由这些允许能级组成的带，即称为能带。价电子所填 充的允带即成为价带，距离价带最近的未填充的允带为导带， 价带的能量最大值与导带能量最小值之间的能量差值叫禁带 宽度或能隙,也就是说电子从价带跃迁到导带所需要的最小能 量。
本征激发过程
本征激发与温度和禁 带宽度相关：
温度越高，本征激发 的几率越大
禁带宽度越大，本征 激发的几率越小
1、电子和空穴的浓度始终相等 2、费米能级的位置处于禁带的中央
本征半导体能带示意图
真空能级 E0
E
导带底 Ec
电
费米能级 Ef
子 能
价带顶 Ev
量
杂质半导体----杂质和缺陷能级
实际当中，半导体材料总是存在缺陷和杂质 1、原子在其平衡位置附近振动 2、含有杂质，即其它化学元素原子 3、实际晶体结构不完整， 存在点缺陷(空位、间隙原子) 线缺陷(位错)、面缺陷(层错、晶粒间界)