半导体光生电荷分离及迁移原位X射线光电子能谱仪表征分析系统的研制

黄晓卷，张亚军，刘佳梅，焦正波，牛建中

(1.中国科学院 兰州化学物理研究所 公共技术服务中心，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院 兰州化学物理研究所 羰基合成与选择氧化国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)

X射线光电子能谱技术(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)是基于光电效应而发展起来的一种重要的表面分析手段，主要用于探测材料表面1 nm到10 nm范围内元素组成及化合态等信息[1-3].目前，XPS已成为材料表面科学研究中最重要的手段之一，被广泛应用于化学分析、材料开发应用研究、物理理论探讨等学术领域，在机械加工、印刷电路技术、镀膜材料工艺控制、纳米功能材料开发等工业领域也使用频繁.

对于半导体材料的研究，XPS发挥着至关重要的作用.但目前的XPS技术只能对半导体材料的组成及表面价态进行常规分析，无法对光照条件下半导体材料的组成及价态进行实时跟踪检测，从而制约了半导体材料的设计构建和反应机理的深入研究.因此，如何在保留X射线光电子能谱仪原有功能的基础上，进行有效地仪器功能开发，使其能够满足样品光照前后的特征元素结合能峰位数据的对比，进而推断半导体材料光生电荷分离能力和迁移方向，以及确定其量化数据，判定原子间得失电子的能力，进一步探究半导体光催化剂作用机理，已经成为半导体材料相关研究人员迫切期望的一项分析测试技术.

1 系统工作原理

众所周知，半导体光催化剂具有不连续的电子能级结构，其在光照激发时会产生光生电子-空穴对，即光生电子在不同元素间发生定向分离与迁移.由于光生空穴具有强的氧化能力，其会发生氧化反应,反之光生电子则会发生还原反应.因此有效探究光生电子在半导体不同元素间的定向分离及迁移，对于光催化和光电催化的研究等具有重要意义.

我们将XPS与半导体同步光照体系相结合，设计并研发出一套能够为半导体材料表面施加外载激发光源的系统，实现了外载激发光源与X射线同步照射半导体表面，通过记录并观测结合能峰位数据的变化，对光致激发半导体光催化材料原子间光生电荷分离及迁移过程进行观测和表征，系统工作原理如图1所示.

图1 系统工作原理图Fig.1 Principle diagram of system operation

2 系统可实现功能

(1)在确保XPS仪器超高真空性能指标、灵敏度指标、分辨率指标保持不变的基础上，将其与半导体样品同步光照体系相组合，设计并研制出一套能够为半导体材料表面施加外载激发光源的XPS系统，即实现外载激发光源与X射线的双光源同步照射于半导体表面，同步观测和记录外载光源光照前后结合能峰位，从而对半导体材料光生电荷分离能力和迁移过程进行探测与表征[4-5].

(2)该系统可实现观测半导体材料光生电荷分离态的生成与湮灭过程，获得载流子在半导体不同原子间的转移及传输机理，确定光生载流子分离与迁移的作用机制，为构建具有高性能半导体材料提供实验基础和技术支持[6-7].

(3)在光催化反应过程中，观测半导体光生电荷的分离及迁移过程对催化反应的机理探究、条件优化、可能发生的副反应条件等都具有重要指导意义.通过该系统可在线观测光生电荷在样品不同原子间的分离及迁移状况，实现半导体材料光催化反应过程中电子转移路径的准原位观测，为半导体材料光催化反应机理的深入研究提供有效信息，同时为构建高效稳定的半导体光催化及光电催化材料研究提供新的技术支撑[8].

3 结论

该系统的设计研制形成了一项分析测试新技术，即同步光照-XPS检测(Synchronous illumination-XPS detection，SIXPS).SIXPS可实时观测半导体不同原子间光生电荷的分离能力及迁移过程，测试结果具有较高重现性、灵敏性及代表性，对半导体材料的尺寸、形貌及组成无特殊要求，通用性较高，且测试过程对样品无损伤.

此外，该系统的建立为半导体光催化及光电催化材料光生电荷分离及迁移关键核心问题提供了直接观测证据，为半导体光催化和光电催化的研究提供了一个新的高尖端的实验手段，因而具有很强的应用推广价值.