免费观看美国不卡一级黄色片-日本一区二区中文字幕无删减版-91在线国内在线播放高清-午夜av高清在线观看

預(yù)存
Document
當(dāng)前位置:文庫百科 ? 文章詳情
測試表征系列丨5分鐘全面了解功函數(shù)的概念、表征和應(yīng)用!
來源:科學(xué)10分鐘 時(shí)間:2021-10-22 18:34:10 瀏覽:15377次

1、功函數(shù)的概念

功函數(shù)(work function)又稱功函、逸出功,在固體物理中被定義為把一個(gè)電子從固體內(nèi)部剛剛移到此物體表面所需的最小能量(圖1)[1]。對于金屬而言,金屬的功函數(shù)表示為一個(gè)起始能量等于費(fèi)米能級的電子,由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量,其值大小通常大概是金屬自由原子電離能的二分之一。同樣地將真空中靜止電子的能量與半導(dǎo)體費(fèi)米能級的能量之差定義為半導(dǎo)體的功函數(shù)。一般將功函數(shù)按照電子能量的來源或者說是電子受激發(fā)的方式,將功函數(shù)分為“熱功函數(shù)”“光電功函數(shù)”。

(1)當(dāng)電子從熱能中吸收能量,激發(fā)到達(dá)表面稱之為熱功函數(shù)。

(2)當(dāng)電子從光子中吸收能量,激發(fā)到達(dá)表面時(shí)稱之為光電功函數(shù)。

功函數(shù)的示意圖 

2、功函數(shù)的表征方法

功函數(shù)的測試表征方法主要有光電子發(fā)射閥值法、開爾文探針法、熱陰極發(fā)射阻擋電勢法、熱電子發(fā)射法、場發(fā)射法、光電子發(fā)射法、電子束(或離子束)減速電勢法和掃描低能電子探針法等。其中,最常用的測試儀器為紫外光電子能譜儀(UPS)和掃描開爾文探針系統(tǒng)(SKP)

1、Applied Catalysis B: Environmental:理想摻雜和功函數(shù)調(diào)諧的一維WO3應(yīng)用于高效光電化學(xué)水分解

光電化學(xué) (PEC) 水分解提供了一種通過太陽能生產(chǎn)化學(xué)燃料(如氫和氧)的綠色、可持續(xù)和可再生途徑,并有望解決未來的能源和環(huán)境問題。由半導(dǎo)體組成的光電電極材料是PEC水分解反應(yīng)器的關(guān)鍵元件,其性質(zhì)決定了H2/O2的生產(chǎn)效率。具體而言,用于 PEC 水分解的理想材料應(yīng)擁有足夠的光吸收的窄帶隙,適合水氧化和還原(分別使用光生空穴和電子)的帶邊電位,電極體相和表面的低電荷轉(zhuǎn)移電阻,有利的用于催化反應(yīng)的晶面、形態(tài)和表面,并在光照和 H2/O2生產(chǎn)過程中具有豐富、經(jīng)濟(jì)、無毒和穩(wěn)定性等特性。

近年來,WO 3由于其n型半導(dǎo)體特性、低毒性、低成本和水氧化能力被視為PEC水分解系統(tǒng)中的有效光電陽極,但是其水分解效率很大程度上取決于受摻雜影響的結(jié)構(gòu)缺陷、晶界、晶面和表面形態(tài)的存在。因此,確定摻雜后在WO3面引起的電荷動(dòng)力學(xué)變化是至關(guān)重要的。

為此,韓國亞洲大學(xué)的Hyungtak Seo團(tuán)隊(duì)提出了對WO3進(jìn)行稀土金屬Y摻雜,并首次利用納米尺度表面電荷觀察來研究WO3的特性和功函數(shù)[2]。研究結(jié)果表明,在WO3中摻雜Y可以得到{002}晶面取向的一維形貌(圖2),導(dǎo)帶電勢移向水還原電勢附近,帶隙和功函數(shù)減小,體電荷和表面電荷傳輸/轉(zhuǎn)移性能得到改善,從而增強(qiáng)了PEC的活性。當(dāng)Y的摻雜量為1.14 at.%時(shí),制氧法拉第效率提高,導(dǎo)帶向上移動(dòng),制氫法拉第效率大于95%,在1.23 V vs RHE下的光電流為2.25 mA cm2(圖3)。重要的是,通過對納米尺度表面電荷進(jìn)行映現(xiàn),揭示了功函數(shù)的降低和電荷動(dòng)力學(xué)的提升是太陽能水分解效率提升的主要原因(圖4)。

2 Y摻雜的WO3的結(jié)構(gòu)表征

3 未摻雜的與Y摻雜的WO3的光電化學(xué)水分解性能

未摻雜的與Y摻雜的WO3的表面形貌和功函數(shù) 

2、Applied Catalysis B: Environmental: Fe調(diào)制的Bi2MoO6高效固氮光催化劑:降低表面功、優(yōu)化表面反應(yīng)

光催化固氮技術(shù)憑借其節(jié)約能源,環(huán)境友好等特點(diǎn)已成為廣大科研工作者的研究熱點(diǎn),被認(rèn)為是一種有望替代傳統(tǒng)的哈伯法的新興固氮技術(shù)。在光催化反應(yīng)中,光生載流子的動(dòng)力學(xué)行為,即載流子遷移速度和表面反應(yīng)對光催化劑的性能起著重要作用。因此,科研人員為優(yōu)化光生載流子動(dòng)力學(xué)行為做了許多工作,如異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑、形貌調(diào)節(jié)、貴金屬負(fù)載、摻雜等。摻雜策略是改善光催化性能的一種簡便而有效的方法,并且在體系中引入雜原子可以調(diào)控半導(dǎo)體材料的表面功函數(shù),進(jìn)而對光生載流子的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行改善。目前已有報(bào)道通過引入 Ce、V、Co、Mo、Ni 等元素,能夠改善半導(dǎo)體材料的光催化固氮性能,其中Fe3+由于成本低、效果優(yōu)異的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于固氮光催化劑改性研究中。然而,其作用機(jī)理仍不明確。

為此,哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳剛和孫凈雪團(tuán)隊(duì)制備了一種Fe3+摻雜的 Bi2MoO6高效光催化劑,F(xiàn)e3+摻雜顯著提高了樣品的光催化固氮性能(圖5)[3]。研究結(jié)果表明,F(xiàn)e3+摻雜改性有效降低了Bi2MoO6催化劑的表面功函數(shù)(圖6),促進(jìn)載流子向材料表面遷移。對樣品進(jìn)行光電化學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)摻雜后的樣品具有明顯的充-放電現(xiàn)象,這是由于在材料表面形成 Fe3+/Fe2+的電子轉(zhuǎn)移路徑,促進(jìn)光生載流子的有效分離(圖7)。本研究為改進(jìn)光催化氮還原反應(yīng)提供了新的途徑,為固氮光催化劑的改性研究奠定了基礎(chǔ)。

5 Fe3+摻雜的 Bi2MoO6的表征

6 不同含量Fe3+摻雜的 Bi2MoO6的功函數(shù)

7 Fe3+摻雜Bi2MoO6在可見光照射下的光催化過程示意圖 

3、Nano Energy:基于隧道氧化物/低功函數(shù)金屬堆的無摻雜電子選擇接觸原理及其在異質(zhì)結(jié)太陽能電池中的應(yīng)用

背接觸硅異質(zhì)結(jié)(IBCHJ)太陽能電池(SCs)通過兩個(gè)接觸區(qū)域的近乎理想的能帶對準(zhǔn),可以實(shí)現(xiàn)高效率的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。通過本征氫化非晶硅a-Si:H(i)膜的高質(zhì)量鈍化,a-Si(p+)和a-Si(n+)膜層可以進(jìn)一步提供足夠高的空穴/電子輸運(yùn)選擇性。n-si /a-Si:H(i)/a-Si(p+)或n- si /a-Si:H(i)/a-Si(n+)被稱為空穴/電子選擇接觸,而a-Si(p+)/a-Si(n+)稱為空穴/電子輸運(yùn)層(HTL/ETL)。載流子選擇性接觸 (CSC) 的概念已擴(kuò)展到無摻雜結(jié)構(gòu),并且已經(jīng)探索了各種可用作HTL或ETL的功能材料。

事實(shí)上,SiOx憑借其較寬的禁帶寬度,與TiOx和a-Si:H(i)相比具有更強(qiáng)的空穴阻擋能力,并且SiOx/摻雜多晶硅的堆疊已廣泛應(yīng)用于眾所周知的隧道氧化物鈍化接觸(TOPCon)中作為一種高效的電子選擇性解決方案。然而由于較差的鈍化性能和相對較高的電阻率,SiOx薄膜總是被排除在CSC中作為可行的界面層之外。為了追求高性能的無摻雜異質(zhì)結(jié)太陽能電池 (HSC),CSC同時(shí)需要高質(zhì)量的鈍化和相對較低的電阻損耗,一種可能的策略便是通過使用低功函數(shù)金屬 (WFM),它可以定制異質(zhì)界面帶結(jié)構(gòu),以降低多數(shù)載流子傳輸?shù)膭輭靖叨取?/span>

為此,中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所葉繼春團(tuán)隊(duì)提出了一種由 SiO x/低WFM堆組成的無摻雜電子選擇性接觸(圖8)[4]。研究結(jié)果表明,盡管隧道SiOx層的鈍化質(zhì)量無法與高質(zhì)量的a-Si(i)或TiOx層相比,但使用低WFM有利于通過改性獲得較低的ρc和改善的鈍化質(zhì)量能帶對齊。對包含SiOx /低WFM的CSC的仿真結(jié)果表明,隧道SiOx層減輕了費(fèi)米能級釘扎,并且低WFM有助于降低有效勢壘高度和接觸電阻率(圖9)。這種雙功能電子選擇性設(shè)計(jì)對c-Si表面的表面態(tài)密度以及SiOx層厚度具有很高的耐受性。此外,這種完全不含摻雜劑的c-Si HSC具有SiOx /低WFM電子選擇性接觸和MoOx空穴選擇性接觸特性,PCE可達(dá)21.8%(圖10)。

8 熱力學(xué)平衡下n-Si/SiOx/金屬接觸的能帶圖

圖9 仿真模擬結(jié)果

圖10 c-Si HSC的性能測試 

參考文獻(xiàn):

[1] Mingshan Xue, et al. Dependence of electron work function of Al-Mg alloys on surface structures and relative humidity. Physica B: Condensed Matter. 2011, 406, 4240-4244.

[2] Shankara S. Kalanur, et al. Enhanced solar water splitting of an ideally doped and work function tuned {002} oriented one-dimensional WO3 with nanoscale surface charge mapping insights. Applied Catalysis B: Environmental. 2021, 295, 120269.

[3] Qingqiang Meng, et al. High-efficiency Fe-Mediated Bi2MoO6 nitrogen-fixing photocatalyst: Reduced surface work function and ameliorated surface reaction. Applied Catalysis B: Environmental. 2019, 256, 117781.

[4] Zhenhai Yang, et al. Principles of dopant-free electron-selective contacts based on tunnel oxide/low work-function metal stacks and their applications in heterojunction solar cells. Nano Energy. 2018, 46, 133–140.

PS:推薦一個(gè)非常好用的科研小程序“測試GO”,專注【材料測試+模擬計(jì)算】科研服務(wù),測試狗團(tuán)隊(duì)開發(fā),提供同步輻射、球差電鏡和常用材料表征,承接第一性原理計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)、有限元計(jì)算等,有需要的朋友可以掃描下方二維碼了解詳情哦~


評論 / 文明上網(wǎng)理性發(fā)言
12條評論
全部評論 / 我的評論
最熱 /  最新
全部 3小時(shí)前 四川
文字是人類用符號記錄表達(dá)信息以傳之久遠(yuǎn)的方式和工具。現(xiàn)代文字大多是記錄語言的工具。人類往往先有口頭的語言后產(chǎn)生書面文字,很多小語種,有語言但沒有文字。文字的不同體現(xiàn)了國家和民族的書面表達(dá)的方式和思維不同。文字使人類進(jìn)入有歷史記錄的文明社會。
點(diǎn)贊12
回復(fù)
全部
查看更多評論
相關(guān)文章

基礎(chǔ)理論丨一文了解XPS(概念、定性定量分析、分析方法、譜線結(jié)構(gòu))

2020-05-03

晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件 VESTA使用教程(下篇)

2021-01-22

手把手教你用ChemDraw 畫化學(xué)結(jié)構(gòu)式:基礎(chǔ)篇

2021-06-19

【科研干貨】電化學(xué)表征:循環(huán)伏安法詳解(上)

2019-10-25

【科研干貨】電化學(xué)表征:循環(huán)伏安法詳解(下)

2019-10-25

Zeta電位的基本理論、測試方法和應(yīng)用

2020-08-24

項(xiàng)目推薦/Project
第一性原理-功函數(shù)

第一性原理-功函數(shù)

紫外光電子能譜(UPS)

紫外光電子能譜(UPS)

熱門文章/popular

基礎(chǔ)理論丨一文了解XPS(概念、定性定量分析、分析方法、譜線結(jié)構(gòu))

晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件 VESTA使用教程(下篇)

手把手教你用ChemDraw 畫化學(xué)結(jié)構(gòu)式:基礎(chǔ)篇

【科研干貨】電化學(xué)表征:循環(huán)伏安法詳解(上)

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之電化學(xué)工作站篇 (二)三電極和兩電極體系的搭建 和測試

【科研干貨】電化學(xué)表征:循環(huán)伏安法詳解(下)

微信掃碼分享文章
| | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |