紫外光漫反射测带隙

紫外光漫反射测带隙
紫外光漫反射测带隙

REVISTA MEXICANA DE F′ISICA S53(5)18–22SEPTIEMBRE2007 Use of diffuse re?ectance spectroscopy for optical characterization of

un-supported nanostructures

A.Escobedo Morales,E.S′a nchez Mora,and U.Pal

Instituto de F′?sica,Benem′e rita Universidad Aut′o noma de Puebla,

Apartado Postal J-48,72570,Puebla,Pue.,M′e xico,

e-mail:aescobe@sirio.ifuap.buap.mx,esanchez@sirio.ifuap.buap.mx,

upal@sirio.ifuap.buap.mx

Recibido el7de julio de2006;aceptado el7de diciembre de2006

Optical properties of un-supported or powdered nanostructures are frequently determined through UV-Vis absorption spectroscopy of their dispersed solutions in liquid media.Though the peak position of the absorption band of semiconductor nanostructures could be de?ned well from such measurements,precise determination of their band gap energies(E g)is dif?cult.However,using the Kubelka-Munk treatment on the diffuse re?ectance spectra of such powdered semiconductor nanostructures,it is possible to extract their E g unambiguously.We discussed the advantages of using Diffuse Re?ectance Spectroscopy(DRS)over UV-Vis absorption spectroscopy in powdered nanostructured materials. Un-doped and In-doped ZnO nanostructures of needle-like morphology,grown by a low-temperature hydrothermal technique are used for the optical studies.Possible sources of mistake in estimating E g from UV-Vis absorption spectra of dispersed samples are discussed.

Keywords:Diffuse re?ectance spectroscopy;nanostructures;zinc oxide.

Frecuentemente las propiedades′o pticas de nanoestructuras en forma de polvo o no soportadas son determinadas dispersando el material en medios l′?quidos y efectuando espectroscopia de absorci′o n UV-Vis.Aunque la posici′o n de la banda de absorci′o n para estos semiconductores nanoestructurados puede estar bien de?nida,la determinaci′o n precisa del valor de la energ′?a de la banda prohibida(E g)es dif′?cil.Sin embargo,usando el formalismo de Kubelka-Munk en los espectros de re?ectancia difusa obtenidos de las muestras,es posible conocer E g sin ambig¨u edad.Aqu′?se discuten las ventajas de usar la espectroscopia de re?ectancia difusa(DRS)sobre la espectroscopia de absorci′o n UV-Vis en semiconductores nanoestructurados en forma de polvo.Nanoestructuras de ZnO con morfolog′?a tipo aguja,dopadas y no-dopadas con indio crecidas por una t′e cnica hidrot′e rmica a baja temperatura son usadas para los estudios′o pticos.Posibles fuentes de error en la estimaci′o n de E g usando los espectros de absorci′o n UV-Vis de muestras dispersadas son discutidas.

Descriptores:Espectroscopia de re?ectancia difusa;nanoestructuras;oxido de zinc.

PACS:78.40.-q;78.67.Bf;78.67.-n

1.Introduction

The energy gap(E g)is an important feature of semicon-ductors which determines their applications in optoelectron-ics[1-4].The UV-Vis absorption spectroscopy is frequently used to characterize semiconductors thin?lms[5].Due to low scattering in solid?lms,it is easy to extract the E g values from their absorption spectra knowing their thickness.How-ever,in colloidal samples,the scattering effect is enhanced since more super?cial area is exposed to the light beam.In normal incidence mode,dispersed light is counted as ab-sorbed light and the technique(optical absorption)does not distinguish between the two phenomena.On the other hand, it is common to obtain powdered samples instead of thin?lms or colloids,and frequently UV-Vis absorption spectroscopy is carried out dispersing the sample in liquid media like water, ethanol or methanol.If the particle size of the sample is not small enough,it precipitates and the absorption spectrum is even more dif?cult to interpret.In order to avoid these com-plications,it is desirable to use DRS,which enables to obtain E g of un-supported materials[6].

The theory which makes possible to use DR spectra was proposed by Kubelka and Munk[7].Originally they pro-posed a model to describe the behavior of light traveling in-side a light-scattering specimen,which is based on the fol-lowing differential equations:

?di=?(S+K)idx+Sjdx

dj=?(S+K)jdx+Sidx(1) where i and j are the intensities of light traveling inside the sample towards its un-illuminated and illuminated surfaces, respectively;dx is the differential segment along the light path;S and K are the so called K-M scattering and absorp-tion coef?cients,respectively.These last two quantities have no direct physical meaning on their own,even thought they appear to represent portions of light scattered and absorbed, respectively,per unit vertical length[8].This model holds when the particle size is comparable to,or smaller than the wavelength of the incident light,and the diffuse re?ection no longer allows to separate the contributions of the re?ection, refraction,and diffraction(i.e.scattering occurs).

In the limiting case of an in?nitely thick sample,thick-ness and sample holder have no in?uence on the value of re-?ectance(R).In this case,the Kubelka-Munk equation at any wavelength becomes:

K

S

=

(1?R∞)2

2R∞

≡F(R∞);(2)

USE OF DIFFUSE REFLECTANCE SPECTROSCOPY FOR OPTICAL CHARACTERIZATION OF UN-SUPPORTED NANOSTRUCTURES19 F(R∞)is the so-called remission or Kubelka-Munk func-

tion,where R∞=R sample/R standard[9].

In the parabolic band structure,the band gap E g,and ab-

sorption coef?cientαof a direct band gap semiconductor are

related through the well known equation[10]:

αhν=C1(hν?E g)1/2,(3)

whereαis the linear absorption coef?cient of the material,

hνis the photon energy and C1is a proportionality constant.

When the material scatters in perfectly diffuse manner(or

when it is illuminated at60?incidence),the K-M absorption

coef?cient K becomes equal to2α(K=2α).In this case,

considering the K-M scattering coef?cient S as constant

with

F IGURE1.Powder X-ray diffraction patterns of nanostructured ZnO before(a),and after(b)thermal treatment.respect to wavelength,and using the remission function in Eq.(3)we obtain the expression:

[F(R∞)hν]2=C2(hν?E g).(4) Therefore,obtaining F(R∞)from Eq.(2)and plotting the [F(R∞)hν]2against hν,the band gap E g of a powder sam-ple can be extracted easily.

2.Experimental

Powder zinc oxide samples with different indium(dop-ing)contents were prepared by a low-temperature hy-drothermal synthesis and subsequent thermal annealing at 300?C in argon atmosphere for two hours[11].All the samples were characterized by UV-Vis absorption spec-troscopy(Shimadzu,UV-3101PC double beam spectropho-tometer),diffuse re?ectance spectroscopy(DRS)(Varian Cary100UV-Vis Spectrophotometer with DRA-CA-30I Diffuse Re?ectance Accessory),powder X-ray diffraction (XRD)(Phillips X’Pert diffractometer with Cu Kαradia-tion),and scanning electron microscopy(SEM)(Jeol JSM 5300).All the optical measurements were carried out at room temperature.For UV-Vis absorption measurements,the pow-der samples were dispersed in deionized water with a?xed concentration(5mg/4ml).

3.Results and discussion

The XRD patterns of the samples are shown in Fig.1.The diffraction peaks revealed the wurtzite structure of ZnO. Apart from zinc oxide,it is possible to recognize a second phase(indium hydroxide,In(OH)3)in the as-grown sample doped with2%In,which is dissociated through the anneal-ing process(Fig.1b).As can be seen from the XRD patterns of as-grown and annealed samples,the crystallinity of the nanostructures decreased on indium doping.The nanostruc-tures present a needle-like morphology with450nm in diam-eter and5μm average length(Fig.2).From the SEM images we can see that the surfaces of the ZnO nanostructures after thermal annealing are not as smooth as un-annealed ones.

The UV-Vis absorption spectra of as-grown and annealed samples are shown in Fig.3.All the spectra revealed a char-acteristic absorption peak of ZnO.However,the peak is not well resolved for all the samples.In as-grown sample,the absorption peak is blue-shifted on0.5%In doping.As the nominal concentration of In increased further,the absorption peak shifted towards higher wavelengths.The peaks in the absorption spectra do not correspond to the true optical band gap of ZnO,which is about3.37eV(at room temperature).

It is interesting to note that in as-grown samples,the ab-sorbance increases as the photon energy increases,and sub-sequently at energies higher than the absorption band edge it decreases.The latter behavior is very different from the com-mon absorption characteristic of thin?lms[12].This behav-ior is due to the scattering phenomenon in colloidal samples. Experimentally obtained absorption spectra of the samples

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PAL

F IGURE 2.Typical SEM micrographs of un-doped and In-doped

(0.5%)ZnO nanostructures before (a and c)and after annealing (b and

d).

F IGURE 3.UV-Vis absorption spectra of as-grown (a),and an-nealed samples (b).

have two components:dispersed light due to scattering counted as absorbed light by the spectrophotometer,and opti-cal absorption due to electronic transitions in the samples.On the other hand,in the spectra of annealed samples (Fig.3b),the absorption at lower photon energy side (with respect to the absorption peak)is as high as the absorption peak.Elec-tronic transitions in semiconductor materials are hardly re-sponsible for such features.Instead,it is the result of

scatter-

F IGURE 4.First derivative absorption spectra of as-grown (a),and annealed samples

(b).

F IGURE 5.Diffuse re?ectance spectra of as-grown (a),and an-nealed samples (b).

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F IGURE6.Kubelka-Munk transformed re?ectance spectra of as-grown(a),and annealed samples(b).

ing from the nanostructures with rough surfaces after thermal annealing.

A common way of extracting band gap from absorption spectra is to get the?rst derivative of absorbance with respect to photon energy and?nding the maxima in the derivative spectra at the lower energy sides[13].The E g is associated to the maximum in the spectrum,i.e.where the absorbance has a maximum increase with respect to photon energy.In Fig.4,such derivative spectra of the samples are presented.

The?rst derivative method is convenient when the ab-sorption peak dominates the spectrum(see Figs.3a and4a, un-doped ZnO),feature that is observed easily in colloidal samples[14].If the scattering effect is as high as the optical absorption process,it screens the absorption peak,making the assignment to E g uncertain(e.g.see Fig.4b,2.0%in-dium doped sample).

To avoid the dif?culties in obtaining E g from UV-Vis absorption spectroscopy in dispersed samples,diffuse re-?ectance measurements of dry powders can be performed. Diffuse re?ectance spectra of as-grown and annealed samples are show in Fig.5.

In as-grown samples,a considerable reduction in re-?ectance starts at about460nm and a peak centered at 236nm appears.Intensity of this peak increases with the in-crease of nominal indium concentration in the samples.The origin of the peak may be the presence of indium hydrox-ide in the samples.The wavelength at which reduction in re?ectance starts in annealed samples is not clear,suggest-ing the formation of band tail due to incorporation of im-purity states.Absence of the peak at236nm in annealed samples supports the assumption of its hydroxide origin.The DR spectra of the samples after Kubelka-Munk treatment are shown in Fig.6.The intersection between the linear?t and the photon energy axis gives the value to E g.So,by this method the assignment of band gap can be made with cer-tainty.

Table I presents the E g values obtained from two meth-ods:UV-Vis absorption spectroscopy and DRS.It can be noted that if erroneously the band gap energy is related di-rectly to the absorption peaks which appear in as-collected UV-Vis spectra,it can lead to overestimate its value,with dis-crepancies as high as139meV.Although the E g calculated from derivative spectra are close to their exact values,for the samples like ZnO:In(2.0%)the agreement is still poor,since the absorption peak is not well resolved.Errors in estimated band gap values can lead false conclusions.

Our results obtained from nanostructured ZnO samples indicate that,though the DRS technique is not as sensitive as the UV-Vis absorption technique to a small change in optical properties of materials,it can extract the band gap values of powder semiconductors without any ambiguity.

T ABLE I.E g values for the nanostructured ZnO samples obtained from UV-Vis absorption spectroscopy and DRS.

Nominal In concentration in the sample(%)abs.peak position(eV)E g(eV),from derivative abs.spectra E g(eV),from DRS Un-annealed samples

0.0 3.32(5) 3.23(7) 3.22(1)

0.5 3.36(2) 3.28(0) 3.22(3)

1.0 3.28(9) 3.22(3) 3.23(9)

2.0

3.27(2) 3.20(8) 3.23(7) Annealed samples

0.0 3.27(9) 3.21(2) 3.24(4)

0.5 3.31(0) 3.26(1) 3.24(2)

1.0 3.25(9) 3.19(5) 3.24(7)

2.0

3.20(4) 3.12(8) 3.24(5)

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4.Conclusions

DRS is a more convenient technique to characterize un-supported nanomaterials than UV-Vis absorption spec-troscopy,since it takes advantage of the enhanced scattering phenomenon in powder materials.Effects of light scattering in the absorption spectra of powder samples dispersed in liq-uid media can be avoided using DRS.If the absorption peak is not well resolved,even the use of derivative of absorp-tion spectra does not guarantee the exact estimation of E g, and can lead erroneous conclusions.Finally,the DRS tech-nique does not require a powder sample to be dispersed in any liquid medium,so the material is not contaminated or consumed.

Acknowledgements

We are thankful to E.Aparicio Ceja and I.Gradilla Martinez, CCMC-UNAM for their helps in XRD and SEM measure-ments of the nanostructures.The work is partially supported by CONACyT,Mexico(Grant No.46269)and UC-MEXUS-CONACyT(Grant https://www.360docs.net/doc/8b12269843.html,-05-215).

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半导体材料能带测试及计算

半导体材料能带测试及计算 对于半导体,是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,其具有一定的带隙(E g)。通常对半导体材料而言,采用合适的光激发能够激发价带(VB)的电子激发到导带(CB),产生电子与空穴对。 图1. 半导体的带隙结构示意图。 在研究中,结构决定性能,对半导体的能带结构测试十分关键。通过对半导体的结构进行表征,可以通过其电子能带结构对其光电性能进行解析。对于半导体的能带结构进行测试及分析,通常应用的方法有以下几种(如图2): 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙E g; 2.VB XPS测得价带位置(E v); 3.SRPES测得E f、E v以及缺陷态位置; 4.通过测试Mott-Schottky曲线得到平带电势; 5.通过电负性计算得到能带位置. 图2. 半导体的带隙结构常见测试方式。 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙 紫外可见漫反射测试 2.制样:

背景测试制样:往图3左图所示的样品槽中加入适量的BaSO4粉末(由于BaSO4粉末几乎对光没有吸收,可做背景测试),然后用盖玻片将BaSO4粉末压实,使得BaSO4粉末填充整个样品槽,并压成一个平面,不能有凸出和凹陷,否者会影响测试结果。 样品测试制样:若样品较多足以填充样品槽,可以直接将样品填充样品槽并用盖玻片压平;若样品测试不够填充样品槽,可与BaSO4粉末混合,制成一系列等质量分数的样品,填充样品槽并用盖玻片压平。 图3. 紫外可见漫反射测试中的制样过程图。 1.测试: 用积分球进行测试紫外可见漫反射(UV-Vis DRS),采用背景测试样(BaSO4粉末)测试背景基线(选择R%模式),以其为background测试基线,然后将样品放入到样品卡槽中进行测试,得到紫外可见漫反射光谱。测试完一个样品后,重新制样,继续进行测试。 ?测试数据处理 数据的处理主要有两种方法:截线法和Tauc plot法。截线法的基本原理是认为半导体的带边波长(λg)决定于禁带宽度E g。两者之间存在E g(eV)=hc/λg=1240/λg(nm)的数量关系,可以通过求取λg来得到E g。由于目前很少用到这种方法,故不做详细介绍,以下主要来介绍Tauc plot法。 具体操作: 1、一般通过UV-Vis DRS测试可以得到样品在不同波长下的吸收,如图4所示; 图4. 紫外可见漫反射图。

紫外可见漫反射光谱基本原理

紫外可见漫反射光谱基本原理 前言: 1、紫外可见光谱利用的哪个波段的光? 紫外光的波长范围为:10-400 nm; 可见光的波长范围:400-760 nm; 波长大于760 nm为红外光。波长在10-200 nm范围内的称为远紫外光,波长在200-400 nm的为近紫外光。而对于紫外可见光谱仪而言,人们一般利用近紫外光与可见光,一般测试范围为200-800 nm、 2、紫外可见漫反射光谱可以做什么? 紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)可用于研究固体样品的光吸收性能,催化剂表面过渡金属离子及其配合物的结构、氧化状态、配位状态、配位对称性等。 备注:这里不作详细展开,我们后面会结合实例进行分析。 3、漫反射就是什么? 当光束入射至粉末状的晶面层时,一部分光在表层各晶粒面产生镜面反射(specular reflection);另一部分光则折射入表层晶粒的内部,经部分吸收后射至内部晶粒界面,再发生反射、折射吸收。如此多次重复,最后由粉末表层朝各个方向反射出来,这种辐射称为漫反射光(diffuse reflection)。 4、紫外可见光谱的基本原理 对于紫外可见光谱而言,不论就是紫外可见吸收还就是紫外可见漫反射,其产生的根本原因多为电子跃迁、 有机物的电子跃迁包括n-π,π-π跃迁等将放在紫外可见分光分度法中来介绍。 对于无机物而言:

a、在过渡金属离子-配位体体系中,一方就是电子给予体,另一方为电子接受体。在光激发下,发生电荷转移,电子吸收某能量光子从给予体转移到接受体,在紫外区产生吸收光谱。其中,电荷从金属(Metal)向配体(Ligand)进行转移,称为MLCT;反之,电荷从配体向金属转移,称为LMCT、 b、当过渡金属离子本身吸收光子激发发生内部d轨道内的跃迁(d-d)跃迁,引起配位场吸收带,需要能量较低,表现为在可见光区或近红外区的吸收光谱。 c、贵金属的表面等离子体共振: 贵金属可瞧作自由电子体系,由导带电子决定其光学与电学性质。在金属等离子体理论中,若等离子体内部受到某种电磁扰动而使其一些区域电荷密度不为零,就会产生静电回复力,使其电荷分布发生振荡,当电磁波的频率与等离子体振荡频率相同时,就会产生共振。这种共振,在宏观上就表现为金属纳米粒子对光的吸收。金属的表面等离子体共振就是决定金属纳米颗粒光学性质的重要因素。由于金属粒子内部等离子体共振激发或由于带间吸收,它们在紫外可见光区域具有吸收谱带。 5、紫外可见漫反射光谱的测试方法——积分球法 积分球又称为光通球,就是一个中空的完整球壳, 其典型功能就就是收集光。积分球内壁涂白色漫反射层(一般为MgO或者BaSO4),且球内壁各点漫反射均匀。光源S在球壁上任意一点B上产生的光照度就是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。

通过透射率求光学带隙

已知透射光谱及相关数据,求吸收光谱和禁带宽度Eg 首先,根据相应样品的透射光谱,求出吸收系数α。其次,我们用2)(ναh 对光子能量(νh )做图,然后经过线形拟合,将线性区外推到横轴上的截距就得到禁带宽度 Eg 。 具体操作过程如下: (1)根据透射光谱(T )和相应薄膜厚度(d ) 计算得到吸收系数 计算公式如下: ()d T //1ln =α;其中,如果透射光谱中纵坐标以100为完全透过率,则上式中数值1改为100;d 为相应薄膜厚度,单位为nm 。 (2)求出光子能量ν h 。公式如下:)()(1240eV nm c h h λλν== (3)求出2)(ναh (4)以2)(ναh 为纵坐标,以νh 为横坐标作图,得到的相应 图一: (5)选择预线性拟合的范围,点击(注意,只适用Origin75)Tools ,Liear fit ,settings ,在Points 中填入数字2;在Range 中填入数字范围(0~200);点击Operation ,点击Fit 按键;在Find Y 中输入数字0,点击Find X 按键,得到横坐标交点数值E g 。

2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 0.000 0.005 0.0100.0150.0200.025 (a h υ)2 (e V 2n m -2)Photon energy (eV) C 图 一 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 0.000 0.005 0.0100.0150.0200.025 (a h υ)2 (e V 2n m -2)Photon energy (eV) 图 二

根据紫外-可见光谱计算半导体能带Eg

根据紫外-可见光谱计算半导体能带Eg 光学吸收系数满足方程:α=(A/hν)(hν-Eg)1/2,其中 A 是比例常数,hν是光子能量,Eg 是ZnO的能隙。Eg可以通过画(αhν)2与hν的曲线,然后把线性部分延长到α=0得出。这些数据先用excel计算出来,再导入origin画出曲线图,然后做切线,切线与和横坐标的交点数值就是禁带宽度 在origin中做曲线的切线的话~那个切点是怎么确定的 下一个画切线的插件targent,它会自动画,切点选一个最陡峭的点 1.薄膜:需要的数据:薄膜厚度d,透过谱T%,并且还要知道半导体是直接还是间接型。首先需要求吸收系数(absorption coefficiency, a) a=-ln(T%)/d A α= d hv的计算在origin里进行,大概可以使用hv=1240/(wavelength(nm))得到 间接半导体:纵坐标为(ahv)^2,横坐标为hv 直接半导体:纵坐标为(ahv)^(1/2),横坐标为hv 最后,做出曲线的切线(这方面我是自己拉一条直线),与横轴的交点就是Eg。 2.粉体:需要的数据:粉体的漫反射谱Rx。同样也需要换算成吸收系数,使用a=(1-Rx)2/2Rx (这个就是Kubelka-Munk Function)。其他的就是按照薄膜同样的方法进行了。 当然,这些方法都是近似的,其中还会存在粉体颗粒对光的散射,薄膜岛状结构对光的散射而对最后结果产生的误差,所以,在研究化学和材料方面可以作为一定知道的数据。 方法1:利用紫外可见漫反射测量中的吸光度与波长数据作图,利用截线法做出吸收波长阈值λg(nm), 利用公式Eg=1240/λg (eV) 计算禁带宽度。 方法2:利用(Ahν)2 对hν做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。也可利用(Ahν)0.5 对hν做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。前者为间接半导体禁带宽度值,后者为直 接半导体禁带宽度值。A (Absorbance) 即为紫外可见漫反射中的吸光度。 方法3:利用(αhν)2 对hν做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。也可利用(αhν)0.5 对hν做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。前者为间接半导体禁带宽度值,后者为 直接半导体禁带宽度值。α(Absorption Coefficient ) 即为紫外可见漫反射中的吸收系数。α与A成正比。 方法4:利用[F(R∞)hν]2 对hν做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。也可利用 [F(R∞)hν]0.5 对hν做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。前者为间接半导体禁带宽度

(完整版)紫外可见漫反射光谱基本原理

紫外可见漫反射光谱基本原理 前言: 1.紫外可见光谱利用的哪个波段的光? 紫外光的波长范围为:10-400 nm; 可见光的波长范围:400-760 nm; 波长大于760 nm为红外光。波长在10-200 nm范围内的称为远紫外光,波长在200-400 nm的为近紫外光。而对于紫外可见光谱仪而言,人们一般利用近紫外光和可见光,一般测试范围为200-800 nm. 2. 紫外可见漫反射光谱可以做什么? 紫外可见漫反射(UV-Vis DRS)可用于研究固体样品的光吸收性能,催化剂表面过渡金属离子及其配合物的结构、氧化状态、配位状态、配位对称性等。 备注:这里不作详细展开,我们后面会结合实例进行分析。 3. 漫反射是什么? 当光束入射至粉末状的晶面层时,一部分光在表层各晶粒面产生镜面反射(specular reflection);另一部分光则折射入表层晶粒的内部,经部分吸收后射至内部晶粒界面,再发生反射、折射吸收。如此多次重复,最后由粉末表层朝各个方向反射出来,这种辐射称为漫反射光(diffuse reflection)。 4. 紫外可见光谱的基本原理 对于紫外可见光谱而言,不论是紫外可见吸收还是紫外可见漫反射,其产生的根本原因多为电子跃迁. 有机物的电子跃迁包括n-π,π-π跃迁等将放在紫外可见分光分度法中来介绍。

对于无机物而言: a. 在过渡金属离子-配位体体系中,一方是电子给予体,另一方为电子接受体。在光激发下,发生电荷转移,电子吸收某能量光子从给予体转移到接受体,在紫外区产生吸收光谱。其中,电荷从金属(Metal)向配体(Ligand)进行转移,称为MLCT;反之,电荷从配体向金属转移,称为LMCT. b. 当过渡金属离子本身吸收光子激发发生内部d轨道内的跃迁(d-d)跃迁,引起配位场吸收带,需要能量较低,表现为在可见光区或近红外区的吸收光谱。 c. 贵金属的表面等离子体共振: 贵金属可看作自由电子体系,由导带电子决定其光学和电学性质。在金属等离子体理论中,若等离子体内部受到某种电磁扰动而使其一些区域电荷密度不为零,就会产生静电回复力,使其电荷分布发生振荡,当电磁波的频率和等离子体振荡频率相同时,就会产生共振。这种共振,在宏观上就表现为金属纳米粒子对光的吸收。金属的表面等离子体共振是决定金属纳米颗粒光学性质的重要因素。由于金属粒子内部等离子体共振激发或由于带间吸收,它们在紫外可见光区域具有吸收谱带。 5. 紫外可见漫反射光谱的测试方法——积分球法 积分球又称为光通球,是一个中空的完整球壳, 其典型功能就是收集光。积分球内壁涂白色漫反射层(一般为MgO或者BaSO4),且球内壁各点漫反射均匀。光源S在球壁上任意一点B上产生的光照度是由多次反射光产生的光照度叠加而成的。

基于紫外_可见光谱分析的水质监测技术研究进展

第31卷,第4期 光谱学与光谱分析Vol 31,No 4,pp1074 1077 2011年4月 Spectro sco py and Spectr al Analysis A pril,2011 基于紫外 可见光谱分析的水质监测技术研究进展 魏康林,温志渝*,武 新,张中卫,曾甜玲 重庆大学新型微纳器件与系统国家重点学科实验室,微系统研究中心,光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044 摘 要 光谱分析在水质监测领域的应用是现代环境监测技术的一个重要发展方向。文章论述了基于紫外 可见光谱分析的现代水质监测技术的原理与特点,并从在线监测和原位监测两个方面论述了该技术的主要研究现状与进展,指出了尚需突破的关键技术问题,展望了基于集成化微型光谱仪的多参数水质监测微系统及水质监测微系统网络的技术发展趋势,对我国水资源环境监测技术的发展及现代科学仪器的研发具有一定的参考价值。 关键词 水质监测;光谱分析;微型光谱仪 中图分类号:T P27 文献标识码:A DOI :10 3964/j issn 1000 0593(2011)04 1074 04 收稿日期:2010 07 22,修订日期:2010 11 07 基金项目:科技部国际科技合作项目(2007DFC00040)和国家 863计划 项目(2007AA042101)资助 作者简介:魏康林,1976年生,重庆大学微系统研究中心博士研究生 e mail:zeyu anw ei@https://www.360docs.net/doc/8b12269843.html, *通讯联系人 e mail:w zy@https://www.360docs.net/doc/8b12269843.html,.en 引 言 基于光谱分析的水质监测技术是现代环境监测的一个重要发展方向,与传统的化学分析、电化学分析和色谱分析等 分析方法相比,光谱分析技术更具有操作简便、消耗试剂量小、重复性好、测量精度高和检测快速的优点,非常适合对环境水样的快速在线监测。目前该技术主要有原子吸收光谱法、分子吸收光谱法以及高光谱遥感法,其中高光谱遥感法由于测量精度不高多数用于定性分析,而原子吸收光谱法精度虽高,但由于首先要把样品汽化,因而耗能较高,系统体积大,不适合广泛使用,比较而言,分子吸收光谱法是目前应用较为广泛的水质分析技术,其中紫外 可见光谱分析法可直接或间接地测定水中大多数金属离子、非金属离子和有机污染物的含量,具有灵敏、快速、准确、简单等优点,并可实现对多种水质参数的检测,在对饮用水、地表水、工业废水等水体的在线监测中具有显著的技术优势,是国内外科研机构与主要分析仪表厂商竞相研发的现代水质监测技术。本文介绍了基于紫外 可见分子吸收光谱分析的现代水质监测技术的原理、特点和主要研究现状与进展,展望了该技术在多参数水质监测方面的发展趋势,并对需要解决的关键技术作了评述。 1 原 理 紫外 可见分子吸收光谱分析是根据物质的吸收光谱来分析物质的成分、结构和浓度的方法,其基本原理是是朗伯 比尔吸收定律(图1),即在一定的吸收光程下,物质的浓度与吸光度成正比,见式(1)。 A =lg I I 0 =kbc (1) 式中:A 为吸光度;I 0为入射光强度;I 为透射光强度;k 为摩尔吸光系数,单位为L (mol cm)-1;b 为液层厚度(吸收光程),单位为cm ;c 为吸光物质的浓度,单位为mol L -1。 Fig 1 Principle of spectrum measurement 在多组分共存的情况下,如各吸光组分的浓度均比较稀,可忽略相互之间的作用,这时体系的总吸光度等于各组 分的吸光度之和如式(2)所示 A =A 1+A 2+A 3+ +A N (2)式中A 为溶液总的吸光度,A i 式第i 个组分的吸光度,依据 吸光度的加和性,可以进行多组分分析和多参数测量。不同化学物质各自不同的特征吸收光谱是对水质进行定性、定量分析的基础。通过紫外/可见光谱仪,采集环境水样在紫外区或可见光区的全波段连续光谱,可以获得待测物质的特征

根据紫外可见光谱计算半导体能带Eg

根据紫外可见光谱计算半导体能带E g Document number【SA80SAB-SAA9SYT-SAATC-SA6UT-SA18】

根据紫外-可见光谱计算半导体能带Eg 光学吸收系数满足方程:α=(A/hν)(hν-Eg)1/2,其中A 是比例常数,hν是光子能量,Eg是ZnO的能隙。Eg可以通过画(αhν)2与hν的曲线,然后把线性部分延长到α=0得出。这些数据先用excel计算出来,再导入origin画出曲线图,然后做切线,切线与和横坐标的交点数值就是禁带宽度 在origin中做曲线的切线的话~那个切点是怎么确定的 下一个画切线的插件targent,它会自动画,切点选一个最陡峭的点 1.薄膜:需要的数据:薄膜厚度d,透过谱T%,并且还要知道半导体是直接还是间接型。首先需要求吸收系数(absorption coefficiency, a) a=-ln(T%)/d A α= d hv的计算在origin里进行,大概可以使用hv=1240/(wavelength(nm))得到 间接半导体:纵坐标为(ahv)^2,横坐标为hv 直接半导体:纵坐标为(ahv)^(1/2),横坐标为hv 最后,做出曲线的切线(这方面我是自己拉一条直线),与横轴的交点就是Eg。 2.粉体:需要的数据:粉体的漫反射谱Rx。同样也需要换算成吸收系数,使用a=(1-Rx)2/2Rx (这个就是Kubelka-Munk Function)。其他的就是按照薄膜同样的方法进行了。 当然,这些方法都是近似的,其中还会存在粉体颗粒对光的散射,薄膜岛状结构对光的散射而对最后结果产生的误差,所以,在研究化学和材料方面可以作为一定知道的数据。 方法1:利用紫外可见漫反射测量中的吸光度与波长数据作图,利用截线法做出吸收波长阈值λg(nm), 利用公式 Eg=1240/λg (eV) 计算禁带宽度。 方法2:利用(Ahν)2 对 hν做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。也可利用(Ahν) 对 hν做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。前者为间接半导体禁带宽度值,后者为直 接半导体禁带宽度值。A (Absorbance) 即为紫外可见漫反射中的吸光度。 方法3:利用(αhν)2 对 hν做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。也可利用(αhν) 对 hν做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。前者为间接半导体禁带宽度值,后者为 直接半导体禁带宽度值。α (Absorption Coefficient ) 即为紫外可见漫反射中的吸收系数。α与A成正比。

半导体材料能带测试及计算

半导体材料能带测试及计算对于半导体,是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,其具有一定的带隙(E g)。通常对半导体材料而言,采用合适的光激发能够激发价带(VB)的电子激发到导带(CB),产生电子与空穴对。 图1. 半导体的带隙结构示意图。 在研究中,结构决定性能,对半导体的能带结构测试十分关键。通过对半导体的结构进行表征,可以通过其电子能带结构对其光电性能进行解析。对于半导体的能带结构进行测试及分析,通常应用的方法有以下几种(如图2): 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙E g; 2.VB XPS测得价带位置(E v); 3.SRPES测得E f、E v以及缺陷态位置; 4.通过测试Mott-Schottky曲线得到平带电势; 5.通过电负性计算得到能带位置.

图2. 半导体的带隙结构常见测试方式。 1.紫外可见漫反射测试及计算带隙 紫外可见漫反射测试 2.制样: 背景测试制样:往图3左图所示的样品槽中加入适量的BaSO4粉末(由于BaSO4粉末几乎对光没有吸收,可做背景测试),然后用盖玻片将BaSO4粉末压实,使得BaSO4粉末填充整个样品槽,并压成一个平面,不能有凸出和凹陷,否者会影响测试结果。 样品测试制样:若样品较多足以填充样品槽,可以直接将样品填充样品槽并用盖玻片压平;若样品测试不够填充样品槽,可与BaSO4粉末混合,制成一系列等质量分数的样品,填充样品槽并用盖玻片压平。 图3. 紫外可见漫反射测试中的制样过程图。 1.测试:

用积分球进行测试紫外可见漫反射(UV-Vis DRS),采用背景测试样(BaSO4粉末)测试背景基线(选择R%模式),以其为background测试基线,然后将样品放入到样品卡槽中进行测试,得到紫外可见漫反射光谱。测试完一个样品后,重新制样,继续进行测试。 ?测试数据处理 数据的处理主要有两种方法:截线法和Tauc plot法。截线法的基本原理是认为半导体的带边波长(λg)决定于禁带宽度E g。两者之间存在E g(eV)=hc/λg=1240/λg(nm)的数量关系,可以通过求取λg来得到E g。由于目前很少用到这种方法,故不做详细介绍,以下主要来介绍Tauc plot法。 具体操作: 1、一般通过UV-Vis DRS测试可以得到样品在不同波长下的吸收,如图4所示; 图4. 紫外可见漫反射图。 2. 根据(αhv)1/n = A(hv – Eg),其中α为吸光指数,h为普朗克常数,v为频率,Eg为半导体禁带宽度,A为常数。其中,n与半导体类型相关,直接带隙半导体的n取1/2,间接带隙半导体的n为2。

半导体材料光学带隙的计算

半导体材料光学带隙的计算 禁带宽度就是半导体的一个重要特征参量,其大小主要决定于半导体的能带结构,即与晶体结构与原子的结合性质等有关。禁带宽度的大小实际上就是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量,也就就是产生本征激发所需要的最小能量。 禁带宽度可以通过电导率法与光谱测试法测得,为了区别用电导率法测得禁带宽度值,用光谱测试法测得的禁带宽度值又叫作光学带隙。 下面以光谱测试法为例介绍半导体材料光学带隙的计算方法: 对于半导体材料,其光学带隙与吸收系数之间的关系式为[1]: αhν=B(hν-Eg)m ( 1) 其中α为摩尔吸收系数,h为普朗克常数,ν为入射光子频率, B 为比例常数, Eg为半导体材料的光学带隙,m的值与半导体材料以及跃迁类型相关: (1)当m=1/2 时,对应直接带隙半导体允许的偶极跃迁; ( 2)当m=3/2 时,对应直接带隙半导体禁戒的偶极跃迁; ( 3)当m=2 时,对应间接带隙半导体允许的跃迁; ( 4)当m=3 时,对应间接带隙半导体禁戒的跃迁。 下面介绍两种禁带宽度计算公式的推导方法: 推导1:根据朗伯比尔定律可知: A=αb c (2) 其中 A 为样品吸光度,b 为样品厚度,c 为浓度,其中bc 为一常数,若B1=(B/bc)1/m,则公式(1)可为: (Ahν)1/m=B1(hν-Eg) (3) 根据公式(3),若以hν 值为x 轴,以(Ahν)1/m 值为y 轴作图,当y=0 时,反向延伸曲线切线与x 轴相交,即可得半导体材料的光学带隙值Eg。 推导2:根据K-M 公式可知: F(R∞)=(1- R∞)2/2 R∞=K/S (4)

漫反射光谱学

第13章 漫反射光谱学 José Torrent and Vidal Barrón, University of Córdoba, Spain 翻译:胡鹏翔 校对:姜兆霞 土壤各组分和入射光之间的相互作用决定了土壤的外观。颜色和土壤外观的其他属性敏感地反应了土壤性质,各组分比例,颗粒大小,形态以及土壤矿物和有机质的空间结构。事实上,用土壤颜色来获得土壤性质信息,从而描述区分土壤类型的研究已有75年的历史。 1949年美国土壤勘测计划和1959年国际土壤学会应用Munsell符号建立了描述土壤颜色的标准方法(1949年,美国土壤勘测计划利用Munsell标记法建立了描述土壤颜色的标准方法,10年后,该方法被国际土壤学会采用。)。之后,土壤学家开始广泛利用Munsell土壤比色表。然而,由于各种心理学和物理学因素,视觉上对土壤颜色的估计很容易产生本质上的错误。因此,色度计和分光光度计作为准确和精确测量土壤颜色的方法,被科学家所广泛接受。与此同时,不同类型分光光度计的使用可以从不同角度来阐述光照下土壤反射光谱的特性。 反射系数,即反射辐射通量(能量)和入射辐射通量(能量)之间的比值,是描述反射过程的基本参数(Wyszecki and Stiles, 1982)。一般来说,土壤在任何波长下的反射都由两部分组成:镜面反射(定向反射)和漫反射(不定向反射)。反射系数的野外测量通常在相对较大的面积上进行的(>10cm2)。因此,无论是镜面反射还是漫反射对土壤表面的总反射都有贡献,贡献的大小取决于土壤的颗粒大小,结构,微地貌和其他属性,这些属性称为土壤的表面状态(Escadafal, 1989)。然而在实验室中,土壤反射系数的测量是在相对小的面积上进行(<10cm2),测量使用的土壤也经过了研磨过筛。此时,漫反射系数占主导地位,

紫外-可见光谱分析方法

紫外—可见光谱分析方法在环境监测中的应用 紫外—可见光谱分析水质监测技术是现代环境监测的一个重要发展方向, 与传统的化学分析、电化学分析和色谱分析等分析方法相比, 光谱分析技术更具有操作简便、消耗试剂量小、重复性好、测量精度高和检测快速的优点, 非常适合对环境水样的快速在线监测。目前该技术主要有原子吸收光谱法、分子吸收光谱法以及高光谱遥感法, 其中高光谱遥感法由于测量精度不高多数用于定性分析, 而原子吸收光谱法精度虽高, 但由于首先要把样品汽化, 因而耗能较高, 系统体积大, 不适合广泛使用, 比较而言, 分子吸收光谱法是目前应用较为广泛的水质分析技术, 其中紫外—可见光谱分析法可直接或间接地测定水中大多数金属离子、非金属离子和有机污染物的含量, 具有灵敏、快速、准确、简单等优点, 并可实现对多种水质参数的检测, 在对饮用水、地表水、工业废水等水体的在线监测中具有显著的技术优势, 是国内外科研机构与主要分析仪表厂商竞相研发的现代水质监测技术。 1、UV-VIS分光光度计的发展情况 紫外可见分光光度计的发展从历史上看,分光光度计按其光路可分为两类。第一类是单光束仪器,这类仪器的优点是光效率高,结构简单和价格便宜,缺点是稳定性差,漂移较大。第二类是双光束仪器,这类仪器具有稳定性高、漂移小的优点,但结构复杂、价格较贵、效率较低。后来开发的一种分光束系统吸取了单光束仪器光效率高的优点,它使初始光束的小部分直接导向光强检测器,大部分经过样品,从而可使仪器信噪比高、反应快。 随着计算机技术在分析仪器领域的广泛应用,单光束、双光束UV-VIS分光光度计均得到了极大的发展。如利用计算机技术在单光束型分光光度计上可实现波长自动扫描的功能。在微机控制下,这种仪器(如国内的721型)还可实现光门开闭、调零、透过率与吸光度测定的自动化及部分校正仪器漂移的功能。在实验室常规分析、在线分析及流动注射分析中均有应用。双光束型仪器在计算机控制下,可以任意选择单光束、双光束或双、单光束模式进行扫描。如有些仪器可进行固定波长分析、全波长扫描和时间动力学测定等,在固定波长方式下,最多可同时测定12个波长,同时读取相应波长下的吸光度或透过率,并可同时乘以相应的计算因子在波长扫描方式下,可以在全波长范围内任意选择所需要的扫描波段,并可计算拾取的峰、谷、点、一至多阶导数、对数光密度、散射光校正、光谱的相加、减、相乘和净吸收值,可完成多次重复的扫描并将光谱图显示在同一屏幕上,根据需要对图形进行电子图形放大、自动标尺处理、峰形平滑处理,时间动力学测定方式适用于测定不同反应时间样品光密度或透过率的动态变化。双光束型仪器可

实用文档之紫外-可见光谱法优缺点

实用文档之"紫外-可见光谱分析仪的优点:" 1.操作简单方便,不需要复杂的程序,可直接取待测样品置于比色皿中,并且能对待测液体或溶液进行直接测定,检测成本低。 2.分析速度快,一般样品可在1-2 min内完成,比较适用于现场分析或快速分析。 3.检测过程中不破坏样品,可称为无损检测,并可对改样品进行多次重复测量实验且重现性好。 4.检测范围广,根据物质分子对波长为200-760nm这一范围的电磁波的吸收特性所建立起来的一种定性、定量和结构分析方法。 5.稳定性好,抗干扰能力强,易实现在线分析及监测,适合于生产过程和恶劣环境下的样品分析。 6.电子光谱的强度较大,灵敏度高,一般可达4 10-—8 10-g/ml主要用于微量分析。 7.准确度较高,浓度测量相对误差仅有1%左右。 8.分辨率高,在定量分析上,不仅可以进行单一组分的测定,而且还可以对多种混合物同时进行测定。 9.分析结果的准确性是建立在化学分析标样的基础上,因此分析的结果真实可靠。

紫外-可见光谱分析仪的缺点: 1.紫外-可见光谱仪仅适用于微量分析,对于高浓度(一般是指浓度>0.01mol/L)物质,物质的吸光度和浓度之间的关系发生偏离,因此朗伯比尔定律不适用。 2.影响比尔定律偏离的因素较多,如非单色光,杂散光,噪声,化学因素等。且影响光学系统参数等外部或内部因素较多,误差难以很好的修正,对检测结果的准确度影响较大。 3. 不是原始方法,是一种间接测定物质浓度的方式,不能作为仲裁分析方法,检测结果不能做为国家认证依据。 4. 受各企业产品相对垄断的因素,仪器购买和维护成本都比较高,性价比较低。 5. 需要大量代表性样品进行化学分析建模,并建立相应化学体系复杂,实验过程较为复杂,工作量大,并且对于显色剂的选择难度较大,已知文献中并无相关研究。

(完整版)半导体材料光学带隙的计算

半导体材料光学带隙的计算 禁带宽度是半导体的一个重要特征参量,其大小主要决定于半导体的能带结构,即与晶体结构和原子的结合性质等有关。禁带宽度的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量,也就是产生本征激发所需要的最小能量。 禁带宽度可以通过电导率法和光谱测试法测得,为了区别用电导率法测得禁带宽度值,用光谱测试法测得的禁带宽度值又叫作光学带隙。 下面以光谱测试法为例介绍半导体材料光学带隙的计算方法: 对于半导体材料,其光学带隙和吸收系数之间的关系式为[1]: αhν=B(hν-Eg)m (1) 其中α为摩尔吸收系数,h为普朗克常数,ν为入射光子频率, B 为比例常数,Eg为半导体材料的光学带隙,m的值与半导体材料以及跃迁类型相关: (1)当m=1/2 时,对应直接带隙半导体允许的偶极跃迁; (2)当m=3/2 时,对应直接带隙半导体禁戒的偶极跃迁; (3)当m=2 时,对应间接带隙半导体允许的跃迁; (4)当m=3 时,对应间接带隙半导体禁戒的跃迁。 下面介绍两种禁带宽度计算公式的推导方法: 推导1:根据朗伯比尔定律可知: A=αb c (2) 其中 A 为样品吸光度,b 为样品厚度,c 为浓度,其中bc 为一常数,若B1=(B/bc)1/m,则公式(1)可为: (Ahν)1/m=B1(hν-Eg) (3) 根据公式(3),若以hν 值为x 轴,以(Ahν)1/m 值为y 轴作图,当y=0 时,反向延伸曲线切线与x 轴相交,即可得半导体材料的光学带隙值Eg。 推导2:根据K-M 公式可知: F(R∞)=(1- R∞)2/2 R∞=K/S (4)

其中R∞为绝对反射率(在日常测试中可以用以硫酸钡做参比测得的样品相对反射率代替[2]),K 为吸收系数,S 为散射系数。若假设半导体材料分散完全或者将样品置于600入射光持续光照下可认为K=2α[3]。因在一定温度下样品散射系数为一常数,假设比例常数为B2,,我们可通过公式(4)和公式(1)可得:(F(R∞) hν)1/m=B2(hν-Eg) (5) 根据公式(5),若以hν 值为x 轴,以(F(R∞) hν)1/m值为y 轴作图,当y=0 时,反向延伸曲线切线与x 轴相交,即可得半导体材料的光学带隙值Eg。 推导方法1和推导方法2分别为通过测量样品吸收光谱和反射光谱值来计算半导体材料的光学带隙。下面介绍以直接光学带隙半导体材料(m=1/2)S1 和S2 为例,通过推导方法 1 计算半导体材料的光学带隙值。首先测得S1 和S2 的紫外吸收光谱,如图1 所示。然后通过吸收光谱做(Ahν)2-hν 线性关系图,如图2 所示。沿曲线做反向切线至y=0 相交,所得值为光学带隙值,由图 2 即可得Eg s1=3.0ev;Eg s2=3.1ev。

光催化剂禁带宽度值计算方法

光催化剂光催化剂禁带宽度值禁带宽度值Eg 计算计算方法方法方法 方法1:利用紫外可见漫反射测量中的吸光度与波长数据作图,利用截线法做出吸收波长阈值λg(nm),利用公式 Eg=1240/λg (eV) 计算禁带宽度。 方法2: 利用 (Ah ν)2 对 h ν 做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。也可利用 (Ah ν)0.5 对h ν做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。前者为间接半导体禁带宽度值,后者为直接半导体禁带宽度值。A (Absorbance) 即为紫外可见漫反射中的吸光度吸光度 吸光度。 方法3:利用 (αh ν)2 对h ν 做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。也可利用 (αh ν)0.5 对 h ν做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。前者为间接半导体禁带宽度值,后者为直接半导体禁带宽度值。α (Absorption Coefficient ) 即为紫外可见漫反射中的吸收系数吸收系数 吸收系数。α与A 成正比。 方法4:利用 [F(R ∞)h ν]2 对 h ν 做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。也可利用 [F(R ∞)h ν]0.5 对h ν做图,利用直线部分外推至横坐标交点,即为禁带宽度值。前者为间接半导体禁带宽度值,后者为直接半导体禁带宽度值。 F(R ∞) 即为Kubelka-Munk 函数函数,,简写为K-M 函数函数,∞∞∞?=R R R F 2/)1() (2 R ∞ 即为相对漫反射率即为相对漫反射率,,简称漫反射率简称漫反射率,)(/)(''参比样品∞∞∞=R R R R ‘∞ 即为绝对漫反射率绝对漫反射率,,常用参比样品为BaSO 4,其绝对漫反射率R ‘∞约等于1。 漫反射吸光度A 与漫反射率R ∞ 之间关系为之间关系为::A=log(1/ R ∞)

N掺杂TiO2光催化剂的紫外-可见漫反射光谱分析

N掺杂TiO2光催化剂的微结构与吸光特性研究 唐玉朝1,2*,黄显怀1,李卫华1 (1. 安徽建筑工业学院环境科学与工程系, 合肥230022 ; 2. 中国科学技术大学化学 与材料科学学院,合肥230026) 摘要:以紫外可见漫反射光谱(UV-VIS-DRS)和X射线光电子能谱(XPS)分析和研究了四种方法制备的N掺杂TiO2光催化剂的结构,即水解法(N/TiO2-H)、氨热还原法(N/TiO2-A)、机械化学法(N/TiO2-M)和尿素热处理法(N/TiO2-T)等。结果表明,N/TiO2-H和N/TiO2-T两种催化剂在490nm处有吸收带边,可见光激发途径是掺杂的N 以填隙方式形成的杂质能级吸收电子发生的跃迁引起的;而N/TiO2-A和N/TiO2-M两种催化剂在整个可见光区域内具有可见光吸收,其对可见光的激发途径是掺杂N和氧空缺共同作用的结果。理论计算的N杂质能级位于价带上0.75eV,与实验观察到的吸收带边结果十分吻合。XPS结果表明,几种催化剂的N1s结合能位置都在399eV 附近,显示为填隙掺杂的N原子。填隙掺杂的N/TiO2,其Ti原子的2p结合能与未掺杂的TiO2相比增加了+0.3-+0.6eV, 而O1s电子的结合能增加了+0.2-+0.5eV, 这是因为填隙的N原子夺取Ti和O的电子,Ti和O原子周围的电子密度降低了。电子能谱和吸光特性的研究都表明,掺杂的机理是在TiO2晶格内形成N原子的填隙。 关键词:TiO2;光催化;N掺杂;填隙;UV-VIS-DRS;XPS;杂质能级 Studies on the structures and light absorbance of nitrogen-doped titanium dioxides photocatalyst Yu-chao Tang1,2*, Xian-huai Huang1, Wei-hua Li1 (1.Department of Environmental Science and Engineering, Anhui University of Architecture, Hefei 230022, P R China;2. School of Chemistry and Materials Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, P R China) Abstract:Nitrogen doped dioxide titanium photocatalysts (N/TiO2) had been prepared by various methods: hydrolysis of tetrabutyl titanate (N/TiO2-H), ammonia thermal treatment of titanium dioxide (N/TiO2-A), mechanochemica1 treatment of titanium 资助项目:国家自然科学基金(50908001),安徽省优秀青年科技基金(10040606Y29)。 作者简介:唐玉朝,男,博士,副教授,1975年生。*通讯联系人,tangyc@https://www.360docs.net/doc/8b12269843.html,

紫外可见光谱分析技术

紫外可见光谱分析技术及其发展和应用 医学院宋宗辉2016201632 紫外-可见吸收光谱法概述 分子的紫外-可见吸收光谱法是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的光谱分析法。分子在紫外-可见区的吸收与其电子结构紧密相关。紫外光谱的研究对象大多是具有共轭双键结构的分子。紫外-可见以及近红外光谱区域的详细划分如下图所示。紫外-可见光区一般用波长(nm)表示。其研究对象大多在200-380 nm的近紫外光区和/或380-780 nm的可见光区有吸收。紫外-可见吸收测定的灵敏度取决于产生光吸收分子的摩尔吸光系数。该法仪器设备简单,应用十分广泛。如医院的常规化验中,95%的定量分析都用紫外-可见分光光度法。在化学研究中,如平衡常数的测定、求算主-客体结合常数等都离不开紫外-可见吸收光谱。 紫外可见区域 1.1分子结构与吸收光谱 1.1电子能级和跃迁 从化学键性质考虑,与有机物分子紫外-可见吸收光谱有关的电子是:形成单键的σ电子,形成双键的π电子以及未共享的或称为非键的n电子。有机物分子内各种电子的能级高低次序下图所示,σ*>π*>n>π>σ。标有*者为反键电子。

电子能级及电子跃迁示意图 可见,σ→σ*跃迁所需能量最大,λmax<170 nm,位于远紫外区或真空紫外区。一般紫外-可见分光光度计不能用来研究远紫外吸收光谱。如甲烷,λmax =125 nm。饱和有机化合物的电子跃迁在远紫外区。 1.2生色团 π→π*所需能量较少,并且随双键共轭程度增加,所需能量降低。若两个以上的双键被单键隔开,则所呈现的吸收是所有双键吸收的叠加;若双键共轭,则吸收大大增强,波长红移,λmax和εmax均增加。如单个双键,一般λmax为150-200nm,乙烯的λmax = 185nm;而共轭双键如丁二烯λmax = 217nm,己三烯λmax = 258nm。 n→π*所需能量最低,在近紫外区,有时在可见区。但π→π*跃迁几率大,是强吸收带;而n→π*跃迁几率小,是弱吸收带,一般εmax<500。许多化合物既有π电子又有n 电子,在外来辐射作用下,既有π→π*又有n→π*跃迁。如-COOR基团,π→π*跃迁λmax=165 nm,εmax=4000;而n→π*跃迁λmax=205nm,εmax=50。π→π*和n→π*跃迁都要求有机化合物分子中含有不饱和基团,以提供π轨道。含有π键的不饱和基团引入饱和化合物中,使饱和化合物的最大吸收波长移入紫外-可见区。这类能产生紫外-可见吸收的官能团,如一个或几个不饱和键,C=C,C=O,N=N,N=O等称为生色团(chromophore)。某些生色团的吸收特性见下表。 某些生色团及相应化合物的吸收特性

复旦固体物理讲义-18能带计算方法简介

上讲回顾 ?金属、绝缘体和半导体 *电子如何填充能带→可用原胞内电子填充判断? *满带、空带、禁带。满带不导电! ?结构因子与布里渊边界能级简并的分裂*物理原因同X射线衍射的消光现象→原胞内等价原 子波函数在布里渊区边界反射相干 ?三维空晶格模型的能带结构 *为何发生能带重叠?能带简约图如何得到?由于3D 布里渊区的复杂结构,与1D不同,高布里渊区能带 E(k+K)并不一定比低布里渊区能带高,例子 *如何给出能带结构?沿B区边界高对称轴,因为能 带在布里渊区边界上简并被打开,发生畸变。可反 映能带特征。特别对金属,除此外与自由电子类似http://10.107.0.68/~jgche/能带计算方法简介1

本讲要解决的问题及所涉及的相关概念?如何从3D空晶格模型过渡到典型的金属能带? *布里渊区边界简并是否打开? ?典型的半导体能带结构? *半导体能带特征 *直接带隙、间接带隙、直接跃迁、带间跃迁 ?能带结构如何得到?→计算→如何计算能带? #对相互作用的合理地截断与近似 #对基函数的合理地取舍与近似 ?两种主要的能带结构计算方法物理思想*赝势方法 *紧束缚方法 http://10.107.0.68/~jgche/能带计算方法简介2

第18讲、能带计算方法简介 1.空晶格能带过渡到典型的金属能带 2.半导体能带结构 3.能带计算方法的物理思想 4.近自由电子近似——平面波方法 5.举例——只取两个平面波 6.平面波方法评论 7.赝势 http://10.107.0.68/~jgche/能带计算方法简介3

1、空晶格能带过渡到金属能带http://10.107.0.68/~jgche/能带计算方法简介4

各种物质漫反射光谱的测定

093858 张亚辉 应化 实验三:各种物质漫反射光谱的测定 一.实验目的 通过各种样品的紫外-可见漫反射光谱测定,掌握紫外-可见漫反射原理,熟悉InstantSpec BWS003的使用。 二.实验原理 光是一种电磁辐射,具有波粒二相性。太阳光是全色光,人眼只能看到380-750nm 的光,称为可见光。 紫外-可见漫反射光谱与紫外-可见吸收光谱相比,所测样品的局限性要小很多。后者符合朗伯-比尔定律,对透射光进行分析,溶液必须是稀溶液才能测量,否则将破坏吸光度与浓度之间的线性关系。而前者,紫外-可见漫反射光谱则可以浑浊溶液、悬浊溶液及固体和固体粉末等,试样产生的漫反射符合Kublka —Munk 方程式 式中K -吸收系数 S -为散射系数 R∞ 表示无限厚样品的反射系数R 的极限值,其数值为一个常数。 实际上,反射系数R 通常是采用与一已知的高反射系数的标准物质(本实验采用PTFE ,其反射系数在紫外可见光区高达98%左右)比较来测量,测定R∞(样品)/ R∞(标准物质)比值,将此比值对波长作图,构成一定波长范围内该物质的反射光谱。 积分球是漫反射测量中的常用附件之一.其内表面的漫反射物质反射系数高达98%,使得光在积分球内部的损失接近零。漫反射光是指从光源发出的光进入样品内部,经过多次反射、折射、散射及吸收后返回样品表面的光。这些光在积分球内经过多次漫反射后到达检测器. 2(1)/2/R R K S ∞∞ -=

三.实验仪器和试剂 1.InstantSpec BWS003 紫外可见漫反射光谱仪; 2.有颜色的纸张;

3.不同颜色的树叶; 4.手臂上的某处皮肤(测试者自己选择)。 四.实验步骤 1.双击打开软件,从菜单栏中选择“Option”-“Enable Reference Material File”-“Set”。 2. 设置“Integration Time”为800。 3. 点击“Open FlashLight”。 4. Dark scan (1)将port reducer装在取样口,拧紧螺丝; (2)将light trap罩在取样口上。 (3)点击软件上的“dark scan”。 5. Reference scan] (1) 将Spectralon Reference Standard(参比)放置在样品口 (2)点击“Reference Scan”。 6. Sample scan (1)取下参比,将样品放置在取样口,点击“Acquire one Spectrum”; (2)选择“%T/R”得到漫反射光谱曲线。 (3)换另一个样品,点击“Acquire Overlay”得到该样品的漫反射光谱曲线。 五.数据处理 以λ为横坐标,R%为纵坐标作所测样品的反射光谱图。 1)下面为红、黄、蓝三种纸片的漫反射光谱图 从图中可看出红黄蓝分别在其对应波长处的反射率最大,并且各种颜色对应的最

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