光催化:科學類名詞-中文百科頻道

基本簡介

什麼是光催化？

光觸媒【PHOTOCATALYSIS】是光【Photo=Light】+觸媒(催化劑)【catalyst】的合成詞。光觸媒是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進化學反應的物質，光觸媒是利用自然界存在的光能轉換成為化學反應所需的能量，來産生催化作用，使周圍之氧氣及水分子激發成極具氧化力的OH-及O2-自由負離子。幾乎可分解所有對人體和環境有害的有機物質及部分無機物質，不僅能加速反應，亦能運用自然界的定侓，不造成資源浪費與附加污染形成。

原理

光催化的原理是利用光來激發二氧化钛等化合物半導體，利用它們産生的電子和空穴來參加氧化—還原反應。當能量大于或等于能隙的光照射到半導體納米粒子上時，其價帶中的電子将被激發躍遷到導帶，在價帶上留下相對穩定的空穴，從而形成電子—空穴對。由于納米材料中存在大量的缺陷和懸鍵，這些缺陷和懸鍵能俘獲電子或空穴并阻止電子和空穴的重新複合。這些被俘獲的電子和空穴分别擴散到微粒的表面，從而産生了強烈的氧化還原勢。

催化反應

光觸媒的作用

抗菌性：殺滅大腸杆菌、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯氏菌、

綠膿杆菌、病毒等。

空氣淨化：分解空氣中有機化合物及有毒物質：苯、甲醛、氨、TVOC等。

除臭：去除香煙臭、垃圾臭、生活臭等惡臭。

防黴防藻：防止發黴、防止藻類的産生,防止水垢的附着。

防污自潔：分解油污、自清潔。

光觸媒的特性

.安全性

作為食品藥品添加劑，經過美國FDA認證，使用非常安全（需要說明的此處應該指微米及以上尺度的二氧化钛，其他材料的光觸媒或是更小尺度的二氧化钛的安全性并未得到嚴格認證）。

.持久性

由于光觸媒隻是提供了反應的場所，它本身并不參與化學反應，所以它的作用效果是持久的（在存在大量礦物質的情況下，也存在鈍化的可能。比如對硬水處理是可能發生碳酸鈣等水垢沉積時作用效果會很快下降）。

當前進展

光觸媒于1967年被當時還是東京大學研究生的藤島昭教授發現。在一次試驗中對放入水中的氧化钛單結晶進行了光線照射，結果發現水被分解成了氧和氫。這一效果作為“本多·藤島效果”（Honda-Fujishima Effect）而聞名于世，該名稱組合了藤島教授和當時他的指導教師----東京工藝大學校長本多健一的名字。

由于是借助光的力量促進氧化分解反應，因此後來将這一現象中的氧化钛稱作光觸媒。這種現象相當于将光能轉變為化學能，以當時正值石油危機的背景，世人對尋找新能源的期待甚為殷切，因此這一技術作為從水中提取氫的劃時代方法受到了矚目，但由于很難在短時間内提取大量的氫氣，所以利用于新能源的開發終究無法實現，因此在轟動一時後迅速降溫。

1992年第一次二氧化钛光觸媒國際研讨會在加拿大舉行，日本的研究機構發表許多關于光觸媒的新觀念，并提出應用于氮氧化物淨化的研究成果。因此二氧化钛相關的專利數目亦最多，其它觸媒關連技術則涵蓋觸媒調配的制程、觸媒構造、觸媒擔體、觸媒固定法、觸媒性能測試等。以此為契機，光觸媒應用于抗菌、防污、空氣淨化等領域的相關研究急劇增加，從1971年至2000年6月總共有10,717件光觸媒的相關專利提出申請。二氧化钛TiO2光觸媒的廣泛應用，将為人們帶來清潔的環境、健康的身體。

物體之長度為10-6米稱為微米(Micrometer;mm)，10-9米稱為納米(Nanometer;nm)。各種應用材料也将由微米逐漸進入納米時代。納米材料由晶粒1~100nm大小的粒子所組成。粒徑極為微細，具有極大的比表面積，且随着粒徑的減少，表面原子百分比提高。在表面上由于大量原子配位的不完全而引起高表面能的現象。表面能量占全能量的比例大幅提高，使納米材料具吸附、光吸收、熔點變化等特性。利用納米超微粒子技術與特性，研發出材料本身在反應時完全不參與作用，卻可促進并提高反應能量，以催化目标反應的觸媒技術已運用于環境清潔作用上，促使有害或有毒物質加速反應成為穩定而無害物質，達到環保效果。

納米二氧化钛光觸媒是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進化學反應的物質，就象植物的光合作用中的葉綠素。TiO2光觸媒在太陽光或室内熒光燈的照射下能産生抗菌、除臭、油污分解、防黴防藻、空氣淨化的作用。

光觸媒的光催化反應

光催化

作者：張金龍

定價：¥20.00元

出版社：華東理工大學出版社

出版日期：2004年12月

ISBN：7-5628-1609-3/O112

開本：16開

類别：物理化學,化學工程及設備,精細化工,材料科學

頁數：184頁

簡介

本書作者根據近年來的研究結果并結合國内外最近的研究成果，着重介紹了集中于界面過程的多相光催化原理，分子和半導體底物中的電子激發過程，并着重闡述半導體催化劑的表面改性等.

第一章光催化中的電子過程

第二章TiO2光催化劑的結構、表面性能及其制備

第三章貴金屬沉積對光催化活性的影響

第四章複合半導體光催化劑

第五章非金屬摻雜光催化劑

第六章光催化過程中的過渡金屬離子

第七章染料敏化二氧化钛光催化

第八章分子篩中高分散催化劑的定域結構，激發态和光催化反應活性

第九章非均相光催化

第十章二氧化钛光催化膜

1.什麼是導體、絕緣體、半導體？

容易導電的物質叫導體，如：金屬、石墨、人體、大地以及各種酸、堿、鹽的水溶液等都是導體。

不容易導電的物質叫做絕緣體，如：橡膠、塑料、玻璃、雲母、陶瓷、純水、油、空氣等都是絕緣體。

所謂半導體是指導電能力介于導體和絕緣體之間的物質。如：矽、鍺、砷化镓、磷化铟、氮化镓、碳化矽等。半導體大體上可以分為兩類，即本征半導體和雜質半導體。本征半導體是指純淨的半導體，這裡的純淨包括兩個意思，一是指半導體材料中隻含有一種元素的原子；二是指原子與原子之間的排列是有一定規律的。本征半導體的特點是導電能力極弱，且随溫度變化導電能力有顯着變化。雜質半導體是指人為地在本征半導體中摻入微量其他元素（稱雜質）所形成的半導體。雜質半導體有兩類：N型半導體和P型半導體。

2.半導體材料的特征有哪些？

（1）導電能力介于導體和絕緣體之間。

（2）當其純度較高時，電導率的溫度系數為正值，随溫度升高電導率增大；金屬導體則相反，電導率的溫度系數為負值。

（3）有兩種載流子參加導電，具有兩種導電類型：一種是電子，另一種是空穴。同一種半導體材料，既可形成以電子為主的導電，也可以形成以空穴為主的導電。

（4）晶體的各向異性。

3．簡述N型半導體。

常溫下半導體的導電性能主要由雜質來決定。當半導體中摻有施主雜質時，主要靠施主提供電子導電，這種依靠電子導電的半導體叫做N型半導體。

例如：矽中摻有Ⅴ族元素雜質磷（P）、砷（As）、銻（Sb）、铋（Bi）時，稱為N型半導體。

4．簡述P型半導體。

當半導體中摻有受主雜質時，主要靠受主提供空穴導電，這種依靠空穴導電的半導體叫做P型半導體。

例如：矽中摻有Ⅲ族元素雜質硼（B）、鋁（Al）、镓（Ga）、铟（In）時，稱為P型半導體。

5．什麼是半絕緣半導體材料？

定義電阻率大于107Ω*cm的半導體材料稱為半絕緣半導體材料。

如：摻Cr的砷化镓，非摻雜的砷化镓為半絕緣砷化镓材料。

摻Fe的磷化铟，非摻雜的磷化铟經退火為半絕緣磷化铟材料。

6．什麼是單晶、多晶？

單晶是原子或離子沿着三個不同的方向按一定的周期有規則地排列，并沿一緻的晶體學取向所堆垛起來的遠程有序的晶體。

多晶則是有多個單晶晶粒組成的晶體，在其晶界處的顆粒間的晶體學取向彼此不同，其周期性與規則性也在此處受到破壞。

7．常用半導體材料的晶體生長方向有幾種？

我們實際使用單晶材料都是按一定的方向生長的，因此單晶表現出各向異性。單晶生長的這種方向直接來自晶格結構，常用半導體材料的晶體生長方向是<111>和<100>。

規定用<111>和<100>表示晶向，用（111）和（100）表示晶面。

8．什麼是電導率和電阻率？

所有材料的電導率（σ）可用下式表達：

σ=neμ

其中n為載流子濃度，單位為cm-3；e為電子的電荷，單位為C（庫侖）；μ為載流子的遷移率，單位為cm2/V*s；電導率單位為S/cm（S為西門子）。

電阻率ρ=1/σ，單位為Ω*cm

9．PN結是如何形成的？它具有什麼特性？

如果用工藝的方法，把一邊是N型半導體另一邊是P型半導體結合在一起，這時N型半導體中的多數載流子電子就要向P型半導體一邊滲透擴散。結果是N型區域中鄰近P型區一邊的薄層A中有一部分電子擴散到P型區域中去了，如圖2-6所示（圖略）。薄層A中因失去了這一部分電子而帶有正電。同樣，P型區域中鄰近N型區域一邊的薄層B中有一部分空穴擴散到N型區域一邊去了，如圖2-7所示（圖略）。結果使薄層B帶有負電。這樣就在N型和P型兩種不同類型半導體的交界面兩側形成了帶電薄層A和B（其中A帶正電，B帶負電）。A、B間便産生了一個電場，這個帶電的薄層A和B，叫做PN結，又叫做阻擋層。

當P型區域接到電池的正極，N型區域接到電池的負極時，漂移和擴散的動态平衡被破壞，在PN結中流過的電流很大（這種接法稱為正向連接）。這時，電池在PN結中所産生的電場的方向恰好與PN結原來存在的電場方向相反，而且外加電場比PN結電場強，這兩個電場疊加後電場是由P型區域指向N型區域的。因此，PN結中原先存在的電場被削弱了，阻擋層的厚度減小了，所以正向電流将随着外加正向電壓的增加而迅速地上升。

當P型區域接到電池的負極，N型區域接到電池的正極時，在PN結中流過的電流很小（這種接法稱為反向連接）。這是由于外加電壓在PN結中所産生的電場方向是由N型區指向P型區，也即與原先在PN結中存在的電場方向是一緻的。這兩個電場疊加的結果，加強了電場阻止多數載流子的擴散運動，此時，阻擋層的厚度比原來增大，原來漂移和擴散的動态平衡也被破壞了，漂移電流大于擴散電流，正是這個電流造成反向漏電流。PN結的這種性質叫做單向導電性。

10．何謂PN結的擊穿特性？

對PN結施加的反向偏壓增大到某一數值時，反向電流突然開始迅速增大，這種現象稱為PN結擊穿。發生擊穿時的反向偏壓稱為擊穿電壓，以VB表示。擊穿現象中，電流增大基本原因不是由于遷移率的增大，而是由于載流子數目的增加。到目前為止，基本上有三種擊穿機構：熱電擊穿、雪崩擊穿和隧道擊穿。從擊穿的後果來看，可以分為物理上可恢複的和不可恢複的擊穿兩類。熱電擊穿屬于後一類情況，它将造成PN結的永久性損壞，在器件應用時應盡量避免發生此類擊穿。雪崩擊穿和隧道擊穿屬于可恢複性的，即撤掉電壓後，在PN結内沒有物理損傷。

11．試述什麼是光電二極管。

當光照到PN結上時，光能被吸收進入晶格，使電子的能級提高，這就導緻某些電子脫離它們的原子，因此産生了自由電子與空穴。在光電導光電二極管中，在PN結上加一反向電壓，由光能在結構附近産生了電子與空穴，它們被電場吸引從相反的方向穿過結形成電流，電流從負載電阻流出産生了輸出信号。光的強度越高，産生的空穴與自由電子就越多，電流也就越大。沒有光時，電流隻有PN結的小的反向漏電流，這種電流稱為暗電流。

12．何謂歐姆接觸？

金屬與半導體間沒有整流作用的接觸稱為歐姆接觸。實際上的歐姆接觸幾乎都是采用金屬-N+N半導體或金屬-P+P半導體的形式制成的。在這種接觸中，金屬與重摻雜的半導體區接觸，接觸界面附近存在大量的複合中心，而且電流通過接觸時的壓降也往往小到可以不計。

制造歐姆接觸的方法有兩種。如果金屬本身是半導體的施主或受主元素，而且在半導體中有高的固溶度，就用合金法直接在半導體中形成金屬-N+或金屬-P+區。如果金屬本身不是施主或受主元素，可在金屬中摻入施主或受主元素，用合金法形成歐姆接觸。另一種方法是在半導體中先擴散形成重摻雜區，然後使金屬與半導體接觸，形成歐姆接觸。

13．遷移率表示什麼？

遷移率是反映半導體中載流子導電能力的重要因素。摻雜半導體的電導率一方面取決于摻雜的濃度，另一方面取決于遷移率的大小。同樣的摻雜濃度，載流子的遷移率越大，材料的電導率就越高。遷移率大小不僅關系着導電能力的強弱，而且直接決定載流子運動的快慢。它對半導體器件工作速度有直接的影響。不同的材料，電子和空穴的遷移率是不同的。載流子的遷移率是随溫度而變化的。這對器件的使用性能有直接的影響。載流子的遷移率受晶體散射和電離雜質散射的影響。載流子的遷移率與晶體質量有關，晶體完整性好，載流子的遷移率高。

14．什麼是方塊電阻？

我們知道一個均勻導體的電阻R正比于導體的長度L，反比于導體的截面積S。如果這個導體是一個寬為W、厚度為d的薄層，則

R=ρL/dW=（ρ/d）（L/W）

可以看出，這樣一個薄層的電阻與（L/W）成正比，比例系數為（ρ/d）。這個比例系數就叫做方塊電阻，用R□表示：

R□=ρ/d

R=R□（L/W）

R□的單位為歐姆，通常用符号Ω/□表示。從上式可以看出，當L=W時有R=R□，這時R□表示一個正方形薄層的電阻，它與正方形邊長的大小無關，這就是取名方塊電阻的原因。

15．什麼是晶體缺陷？

晶體内的原子是按一定的原則周期性地排列着的。如果在晶體中的一些區域，這種排列遭到破壞，我們稱這種破壞為晶體缺陷。晶體缺陷對半導體材料的使用性影響很大，在大多數情況下，它使器件性能劣化直至失效。因此在材料的制備過程中都要盡量排除缺陷或降低其密度。晶體缺陷的控制是材料制備的重要技術之一。

晶體缺陷的分類：

（1）點缺陷，如空位、間隙原子、反位缺陷、替位缺陷和由它們構成的複合體。

（2）線缺陷，呈線狀排列，如位錯就是這種缺陷。

（3）面缺陷，呈面狀，如晶界、堆垛層錯、相界等。

（4）體缺陷，如空洞、夾雜物、雜質沉澱物等。

（5）微缺陷，幾何尺寸在微米級或更小，如點缺陷聚集物、微沉澱物等。

16．什麼是錯位？

當一種固體材料受到外力時就會發生形變，如果外力消失後，形變也随着消失，這種形變稱為彈性形變；如果外力消失後，形變不消失。則稱為範性形變。位錯就是由範性形變造成的，它可以使晶體内的一原子或離子脫離規則的周期排列而位移一段距離，位移區與非位移區交界處必有原子的錯位，這樣産生線缺陷稱為位錯。

17．什麼是層錯？

簡單的說，層錯是在密排晶面上缺少或多餘一層原子而構成的缺陷，層錯是一種“面缺陷”。層錯也是矽晶體中常見的一種缺陷，層錯對器件制備工藝以及成品性能都可以發生較大的影響。生産中最熟悉的是矽外延片中的層錯。在矽外延生長時，如果不采取特殊的措施，生長出的外延層中将含有大量的層錯，以緻嚴重的破壞了晶體的完整性。通過研究發現，外延片中的層錯主要起源于生長外延層的襯底晶體的表面。根據這個原因，不僅找到了克服層錯大量産生的途徑，而且發現利用層錯測量外延層的厚度的方法。

18．材料的常用表征參數有哪些？

電學參數、化學純度、晶體學參數、幾何尺寸。

電學參數包括電阻率、導電類型、載流子濃度、遷移率、少數載流子壽命、電阻率均勻性等。

化學純度是指材料的本底純度。

晶體學參數有晶向、位錯密度。

幾何尺寸包括直徑、晶片的厚度、彎曲度、翹曲度、平行度和抛光片的平坦度等