半導(dǎo)體光生電荷分離及遷移原位X射線光電子能譜儀表征分析系統(tǒng)的研制

黃曉卷，張亞軍，劉佳梅，焦正波，牛建中

(1.中國科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所 公共技術(shù)服務(wù)中心，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)院 蘭州化學(xué)物理研究所 羰基合成與選擇氧化國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

X射線光電子能譜技術(shù)(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)是基于光電效應(yīng)而發(fā)展起來的一種重要的表面分析手段，主要用于探測材料表面1 nm到10 nm范圍內(nèi)元素組成及化合態(tài)等信息[1-3].目前，XPS已成為材料表面科學(xué)研究中最重要的手段之一，被廣泛應(yīng)用于化學(xué)分析、材料開發(fā)應(yīng)用研究、物理理論探討等學(xué)術(shù)領(lǐng)域，在機械加工、印刷電路技術(shù)、鍍膜材料工藝控制、納米功能材料開發(fā)等工業(yè)領(lǐng)域也使用頻繁.

對于半導(dǎo)體材料的研究，XPS發(fā)揮著至關(guān)重要的作用.但目前的XPS技術(shù)只能對半導(dǎo)體材料的組成及表面價態(tài)進行常規(guī)分析，無法對光照條件下半導(dǎo)體材料的組成及價態(tài)進行實時跟蹤檢測，從而制約了半導(dǎo)體材料的設(shè)計構(gòu)建和反應(yīng)機理的深入研究.因此，如何在保留X射線光電子能譜儀原有功能的基礎(chǔ)上，進行有效地儀器功能開發(fā)，使其能夠滿足樣品光照前后的特征元素結(jié)合能峰位數(shù)據(jù)的對比，進而推斷半導(dǎo)體材料光生電荷分離能力和遷移方向，以及確定其量化數(shù)據(jù)，判定原子間得失電子的能力，進一步探究半導(dǎo)體光催化劑作用機理，已經(jīng)成為半導(dǎo)體材料相關(guān)研究人員迫切期望的一項分析測試技術(shù).

1 系統(tǒng)工作原理

眾所周知，半導(dǎo)體光催化劑具有不連續(xù)的電子能級結(jié)構(gòu)，其在光照激發(fā)時會產(chǎn)生光生電子-空穴對，即光生電子在不同元素間發(fā)生定向分離與遷移.由于光生空穴具有強的氧化能力，其會發(fā)生氧化反應(yīng),反之光生電子則會發(fā)生還原反應(yīng).因此有效探究光生電子在半導(dǎo)體不同元素間的定向分離及遷移，對于光催化和光電催化的研究等具有重要意義.

我們將XPS與半導(dǎo)體同步光照體系相結(jié)合，設(shè)計并研發(fā)出一套能夠為半導(dǎo)體材料表面施加外載激發(fā)光源的系統(tǒng)，實現(xiàn)了外載激發(fā)光源與X射線同步照射半導(dǎo)體表面，通過記錄并觀測結(jié)合能峰位數(shù)據(jù)的變化，對光致激發(fā)半導(dǎo)體光催化材料原子間光生電荷分離及遷移過程進行觀測和表征，系統(tǒng)工作原理如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Principle diagram of system operation

2 系統(tǒng)可實現(xiàn)功能

(1)在確保XPS儀器超高真空性能指標(biāo)、靈敏度指標(biāo)、分辨率指標(biāo)保持不變的基礎(chǔ)上，將其與半導(dǎo)體樣品同步光照體系相組合，設(shè)計并研制出一套能夠為半導(dǎo)體材料表面施加外載激發(fā)光源的XPS系統(tǒng)，即實現(xiàn)外載激發(fā)光源與X射線的雙光源同步照射于半導(dǎo)體表面，同步觀測和記錄外載光源光照前后結(jié)合能峰位，從而對半導(dǎo)體材料光生電荷分離能力和遷移過程進行探測與表征[4-5].

(2)該系統(tǒng)可實現(xiàn)觀測半導(dǎo)體材料光生電荷分離態(tài)的生成與湮滅過程，獲得載流子在半導(dǎo)體不同原子間的轉(zhuǎn)移及傳輸機理，確定光生載流子分離與遷移的作用機制，為構(gòu)建具有高性能半導(dǎo)體材料提供實驗基礎(chǔ)和技術(shù)支持[6-7].

(3)在光催化反應(yīng)過程中，觀測半導(dǎo)體光生電荷的分離及遷移過程對催化反應(yīng)的機理探究、條件優(yōu)化、可能發(fā)生的副反應(yīng)條件等都具有重要指導(dǎo)意義.通過該系統(tǒng)可在線觀測光生電荷在樣品不同原子間的分離及遷移狀況，實現(xiàn)半導(dǎo)體材料光催化反應(yīng)過程中電子轉(zhuǎn)移路徑的準(zhǔn)原位觀測，為半導(dǎo)體材料光催化反應(yīng)機理的深入研究提供有效信息，同時為構(gòu)建高效穩(wěn)定的半導(dǎo)體光催化及光電催化材料研究提供新的技術(shù)支撐[8].

3 結(jié)論

該系統(tǒng)的設(shè)計研制形成了一項分析測試新技術(shù)，即同步光照-XPS檢測(Synchronous illumination-XPS detection，SIXPS).SIXPS可實時觀測半導(dǎo)體不同原子間光生電荷的分離能力及遷移過程，測試結(jié)果具有較高重現(xiàn)性、靈敏性及代表性，對半導(dǎo)體材料的尺寸、形貌及組成無特殊要求，通用性較高，且測試過程對樣品無損傷.

此外，該系統(tǒng)的建立為半導(dǎo)體光催化及光電催化材料光生電荷分離及遷移關(guān)鍵核心問題提供了直接觀測證據(jù)，為半導(dǎo)體光催化和光電催化的研究提供了一個新的高尖端的實驗手段，因而具有很強的應(yīng)用推廣價值.