[發明專利]一種微納米尺度表面光生電荷成像系統和方法

有效

• 申請號: 201710159729.7
• 申請日: 2017-03-17
• 公開（公告）號: CN108627754B
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發明（設計）人: 李燦;陳若天;范峰滔;朱劍;安虹宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: G01R31/265
• 分類號: G01R31/265
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 王倩

本發明涉及一種微納米尺度表面光生電荷成像系統和方法，系統包括：順序連接的斬波器、鎖相放大器、同步單元和開爾文力顯微鏡，所述開爾文力顯微鏡與鎖相放大器連接；方法包括斬波器將光源轉化為瞬態光至開爾文力顯微鏡的樣品；開爾文力顯微鏡測量樣品微區瞬態光下表面電勢的變化，并將表面電勢信號輸出到鎖相放大器；鎖相放大器根據斬波頻率和表面電勢信號得到振幅和相位；同步單元根據瞬態光電壓的振幅以及相位與開爾文力顯微鏡形貌成像進行同步，得到顯示光生空穴和光生電子的樣品形貌成像圖。本發明可以有效的獲得微納米尺度半導體光催化劑粒子表面光生電荷成像，為從微納米尺度研究半導體光催化劑光生電荷分離、傳輸及分布提供有效手段。

技術領域

本發明涉及一種微納米尺度表面光生電荷成像方法，適用于半導體微粒或器件微納米尺度的光生電荷分離傳輸研究。

背景技術

適用半導體基光催化劑分解水制氫和CO₂還原是利用太陽能解決人類能源環境問題的最重要途徑，受到廣泛關注。但目前為止，太陽能利用效率低下，最大的太陽能轉化為氫能的效率才至1％，遠遠不能滿足人類的要求，其中最重要原因是光生的電荷大量復合不能有效的分離并傳輸到半導體光催化劑表面參與化學反應。因此，半導體光催化劑光生電荷分離及傳輸的研究成為太陽能轉化利用研究領域的關鍵。人們正在發展一系列光催化材料的合成方法和組裝策略，包括半導體催化劑表面納米結構的修飾，晶面的定向合成、低維結構的合成、異相結/異質結的構建和助催化劑的組裝策略，在一定程度上提高了電荷分離效率從而提高光催化分解水的效率。但是由于半導體光催化劑尺寸是微納米級別，且光催化過程及其復雜，缺乏微納米尺度的表征手段，研究人員對光催化過程特別是光生電荷的分離、傳輸及在半導體粒子表面分布認識較少，大大阻礙了從微納米尺度上設計、合成新型高效的光催化體系。

解決上述問題，需要發展微納米尺度的光生電荷分離及分布表征手段。開爾文力顯微鏡可以進行空間分辨的表面電勢成像，但不能直接關聯表面光生電荷且測得的電勢信號受環境如溫度、濕度、樣品表面氣氛影響較大，不能有效的反映光生電荷情況。

發明內容

針對上述技術不足，本發明的目的在于提供一種微納米尺度表面光生電荷成像方法，用于測量半導體表面微區的表面光生電荷分布。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種微納米尺度表面光生電荷成像系統，包括：順序連接的斬波器、鎖相放大器、同步單元和開爾文力顯微鏡，所述開爾文力顯微鏡與鎖相放大器連接；

斬波器，用于將光源轉化為瞬態光至開爾文力顯微鏡的樣品；

開爾文力顯微鏡，用于測量樣品微區瞬態光下表面電勢的變化，并將表面電勢信號輸出到鎖相放大器；

鎖相放大器，用于根據斬波器的斬波頻率和表面電勢信號得到瞬態光電壓的振幅和相位；

同步單元，用于根據瞬態光電壓的振幅以及相位與開爾文力顯微鏡形貌成像進行同步，得到顯示光生空穴和光生電子的樣品形貌成像圖。

所述同步單元通過FPGA實現。

所述斬波器與光源之間設有透鏡。

一種微納米尺度表面光生電荷成像方法，包括以下步驟：

斬波器發出瞬態光至開爾文力顯微鏡的樣品；

開爾文力顯微鏡測量樣品微區瞬態光下表面電勢的變化，并將表面電勢信號輸出到鎖相放大器；

鎖相放大器根據斬波器的斬波頻率和表面電勢信號得到瞬態光電壓的振幅和相位；

同步單元根據瞬態光電壓的振幅和相位、以及開爾文力顯微鏡形貌成像進行同步，得到顯示光生空穴和光生電子的樣品形貌成像圖。

所述同步單元根據瞬態光電壓的振幅和相位、以及開爾文力顯微鏡形貌成像進行同步包括以下步驟：