陳子昂

南京大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210023

0 引言

光電過程是指在光輻射作用下，材料發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的過程，即在光作用下，材料中的固體、離子、分子等物質(zhì)由于吸收了光能，從而處于激發(fā)狀態(tài)，在此種條件下產(chǎn)生的電子與電荷將發(fā)生傳遞與轉(zhuǎn)移[1]。文章研究的化合物半導(dǎo)體材料是指由兩種或以上金屬元素，以固定原子配比組合方式形成的化合物質(zhì)，此種物質(zhì)具有固定的禁帶寬度與常規(guī)半導(dǎo)體物質(zhì)的性能。目前，市場(chǎng)材料研究領(lǐng)域中有關(guān)相關(guān)化合物半導(dǎo)體材料的研究較多，現(xiàn)有的化合物半導(dǎo)體材料種類也相對(duì)較多，不同的材料，其性質(zhì)各異[2]。此類材料在我國(guó)經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)內(nèi)已基本實(shí)現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。盡管化合物半導(dǎo)體材料的使用優(yōu)勢(shì)已十分突出，但關(guān)于此種材料的化學(xué)性能研究在我國(guó)市場(chǎng)內(nèi)仍存在留白。因此，文章將在相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，以某化合物半導(dǎo)體材料為例，研究此材料的光電特性[3]。以期更加深入地掌握化合物半導(dǎo)體材料的化學(xué)性能，為其在市場(chǎng)不同領(lǐng)域中的推廣使用提供進(jìn)一步的指導(dǎo)與幫助，發(fā)揮材料在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值與效能。

1 資料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象的制備

為實(shí)現(xiàn)對(duì)化合物半導(dǎo)體材料光電特性的性能分析，首先在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中將去離子處理的水、乙醇、鹽酸以及正硅酸乙酯等物質(zhì)，按照一定的摩爾比充分混合攪拌，并確保攪拌后各物質(zhì)均勻分布在溶液當(dāng)中。按照上述操作得到所需的溶液后，向溶液當(dāng)中添加活性物質(zhì)[4]。在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，可選用鎘、鋅等材料，將其溶于上述制備的混合溶液當(dāng)中。在混合同時(shí)，添加適量的催化劑，使其快速發(fā)生反應(yīng)，并完成對(duì)溶膠酸堿性的調(diào)節(jié)。在充分?jǐn)嚢枰欢螘r(shí)間后，確保其充分混合均勻。將上述制備溶液放入培養(yǎng)皿當(dāng)中，經(jīng)過溶膠和凝膠的過程，最終老化、干燥。45～60 d 后，得到所需的干凝膠材料。將干凝膠進(jìn)行熱處理，將其中含有的有機(jī)物去除，最后將其與硫化氫氣體進(jìn)行氣固反應(yīng)，最終得到實(shí)驗(yàn)所需的化合物半導(dǎo)體材料，將這一材料作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

在實(shí)驗(yàn)過程中，除了制備化合物半導(dǎo)體材料所需的清水、乙醇、鹽酸等實(shí)驗(yàn)材料，為了得出實(shí)驗(yàn)對(duì)象光電特性的特點(diǎn)，還需要利用相應(yīng)的儀器設(shè)備，測(cè)定其性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過程中所需的儀器設(shè)備包括X 射線衍射儀、光度計(jì)等。選用XRD-Terra-476980 和XRD-Terra-2350 型號(hào)的X 射線衍射儀。XRD-Terra-476980 和XRD-Terra-2350 型號(hào)X 射線衍射儀均具備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、應(yīng)用范圍廣、無線傳輸?shù)葢?yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)提供更高精度的數(shù)據(jù)[5]。在運(yùn)行過程中，兩種X 射線衍射儀的工作電壓均為220 V，可存儲(chǔ)240 GB 的數(shù)據(jù)，精度為-0.1%。利用上述兩種X 射線衍射儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)化合物半導(dǎo)體材料樣本的結(jié)構(gòu)分析，并對(duì)其周圍環(huán)境條件以及相關(guān)有機(jī)化合物進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)過程中，光度計(jì)選用754PC-460 型號(hào)紫外可見分光光度計(jì)，該型號(hào)光度計(jì)具備1 200 L/mm 紫外光柵和C-T 單色器結(jié)構(gòu)[6]，在實(shí)驗(yàn)過程中可擴(kuò)展至10 cm 樣品架。754PC-460 型號(hào)紫外可見分光光度計(jì)性能參數(shù)記錄如表1 所示。

表1 754PC-460 型號(hào)紫外可見分光光度計(jì)性能參數(shù)記錄

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將上述制備的化合物半導(dǎo)體材料放入實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，并利用XRD-Terra-476980 型號(hào)X 射線衍射儀和XRDTerra-2350 型號(hào)X 射線衍射儀對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定和分析，再針對(duì)化合物半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究。在得到實(shí)驗(yàn)對(duì)象光學(xué)性能的基礎(chǔ)上，對(duì)其在接電線路當(dāng)中的導(dǎo)電情況進(jìn)行分析，記錄通電時(shí)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的電流密度，以此對(duì)其光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行探究。將制備的化合物半導(dǎo)體材料以陣列的形式排布，并在X 射線衍射儀的照射下降解持久性的污染物質(zhì)，在這一過程中不考慮電催化的降解過程，只針對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象本身的性能進(jìn)行探究。根據(jù)上述步驟，記錄各個(gè)操作得到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化對(duì)化合物半導(dǎo)體材料的光電特性進(jìn)行探究。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 吸光與透射光譜

在根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)方法完成實(shí)驗(yàn)后，通過X 射線衍射儀測(cè)定得出化合物半導(dǎo)體材料為立方結(jié)構(gòu)，材料的微晶晶粒大小在幾納米到幾十納米，實(shí)驗(yàn)過程中還在材料當(dāng)中發(fā)現(xiàn)了大量的活性物質(zhì)。在經(jīng)過高溫加熱處理后，隨著溫度的上升和氣體反應(yīng)時(shí)間的加長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象的微晶晶粒逐漸增大，以此可初步得出：通過控制溫度和氣體反應(yīng)時(shí)間可以實(shí)現(xiàn)對(duì)化合物半導(dǎo)體材料微晶晶粒尺寸大小的控制。

在上述論述基礎(chǔ)上，對(duì)化合物半導(dǎo)體材料的吸光性進(jìn)行探究，并分析通過X 射線衍射儀得到的透射光譜。實(shí)驗(yàn)對(duì)象實(shí)驗(yàn)過程中的吸收值如表2 所示，吸收值為實(shí)驗(yàn)對(duì)象與參考樣品之間的吸收差值。

如表2 所示，可以看出，在不同持續(xù)時(shí)間條件下，化合物半導(dǎo)體材料的吸收值存在較大差異，并且在波長(zhǎng)增加的過程中，各個(gè)時(shí)間條件下化合物半導(dǎo)體材料的吸收值變化均呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)。為了更加直觀地展示波長(zhǎng)變化下化合物半導(dǎo)體材料吸收值的變化特點(diǎn)，給出如圖1 所示的變化趨勢(shì)圖。

表2 實(shí)驗(yàn)對(duì)象吸收值記錄表

圖1 化合物半導(dǎo)體材料吸收值變化

2.2 光電的協(xié)同作用

在完成對(duì)化合物半導(dǎo)體材料的吸光與透射光譜等光學(xué)性能的分析后，對(duì)材料的光電協(xié)同作用的特性進(jìn)行探究。在暗態(tài)、可見光和紫外光三種不同照射條件下化合物半導(dǎo)體材料電機(jī)的電流與電壓變化數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 化合物半導(dǎo)體材料不同照射條件下電流與電壓表

條件I 為暗態(tài)照射條件；條件II 為可見光照射條件；條件III 為紫外光照射條件。如表3 所示，隨著電壓的增加，在三種照射條件下，化合物半導(dǎo)體材料的電流均呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)，并且增加幅度基本相同。

2.3 電流密度與光電轉(zhuǎn)換效率

在下列實(shí)驗(yàn)中，選取多個(gè)試件，對(duì)不同材料的電流密度進(jìn)行對(duì)比，普通半導(dǎo)體材料與化合物半導(dǎo)體材料的電流密度對(duì)比結(jié)果如表4 所示。普通半導(dǎo)體材料與化合物半導(dǎo)體材料的光電轉(zhuǎn)換效率對(duì)比結(jié)果如圖2 所示。如表4 所示，化合物半導(dǎo)體材料的電流密度明顯高于普通半導(dǎo)體材料的電流密度，說明其光電化學(xué)性能更優(yōu)。如圖2 所示，與上述制備的化合物半導(dǎo)體材料相比，普通半導(dǎo)體材料的光電轉(zhuǎn)換效率明顯更低[7]。

表4 普通半導(dǎo)體材料與化合物半導(dǎo)體材料電流密度對(duì)比 單位：A/cm2

圖2 光電轉(zhuǎn)換效率對(duì)比

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 波長(zhǎng)變化分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在化合物半導(dǎo)體材料當(dāng)中各個(gè)物質(zhì)含量保持不變的情況下，隨著反應(yīng)時(shí)間的不斷增加，吸收邊會(huì)向著長(zhǎng)波方向移動(dòng)，并且結(jié)合表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，化合物半導(dǎo)體材料的吸收值最高值越高。同時(shí)，隨著波長(zhǎng)的不斷增加，各個(gè)反應(yīng)時(shí)間下，化合物半導(dǎo)體材料的吸收值均呈現(xiàn)出明顯的先增加后降低的趨勢(shì)。最后，若波長(zhǎng)繼續(xù)延伸，則化合物半導(dǎo)體材料的吸收值變化將逐漸趨于平緩，無限接近于零。

3.2 吸收光譜特點(diǎn)分析

在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于化合物半導(dǎo)體材料而言，其吸收光譜具有以下幾方面特點(diǎn)：第一，在反應(yīng)時(shí)間不變的情況下，隨著實(shí)驗(yàn)樣品當(dāng)中活性物質(zhì)含量的不斷增加，吸收邊會(huì)向著長(zhǎng)波方向轉(zhuǎn)移；第二，在活性物質(zhì)含量相同的情況下，氣體反應(yīng)時(shí)間的不斷增加，材料的吸收邊會(huì)向著長(zhǎng)波方向不斷移動(dòng)。除此之外，對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的禁帶寬度進(jìn)行分析，其微晶的禁帶寬度都會(huì)比相應(yīng)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度更大。

3.3 光電協(xié)同作用分析

在對(duì)化合物半導(dǎo)體材料的光學(xué)性能進(jìn)行分析后，針對(duì)其光電特性進(jìn)行探究，對(duì)材料光電的協(xié)同作用進(jìn)行深入分析。結(jié)合上述表3 中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著照射條件的不斷優(yōu)化，化合物半導(dǎo)體材料的電流與電壓增加幅度逐漸增大。在相同電壓條件下，三種條件下化合物半導(dǎo)體材料的電流始終呈現(xiàn)出條件I 電流＜條件II 電流＜條件III 電流的關(guān)系。

3.4 光電轉(zhuǎn)換效率分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，通過對(duì)普通半導(dǎo)體材料與化合物半導(dǎo)體材料的電流密度進(jìn)行對(duì)比可知，文章上述制備的化合物半導(dǎo)體材料與半導(dǎo)體材料相比，電流密度增加了3 倍以上，光電轉(zhuǎn)換效率也得到了明顯提升。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，化合物半導(dǎo)體材料的光電轉(zhuǎn)換效率更快，通過光電協(xié)同作用能夠提高材料的光電特性，使其光電化學(xué)性能進(jìn)一步提升[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前各類化合物半導(dǎo)體材料憑借其獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為光電化學(xué)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。文章通過實(shí)驗(yàn)對(duì)化合物半導(dǎo)體材料的光電特性進(jìn)行探究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，化合物半導(dǎo)體材料在實(shí)際應(yīng)用中通過光電的協(xié)同作用，進(jìn)一步地提升了材料的光學(xué)性能。在光電化學(xué)性能研究中，可以通過偏壓的方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)光電協(xié)同作用的分析，以此達(dá)到提升光電轉(zhuǎn)換效率的作用和目的。