[發明專利]一種半導體光電材料瞬態光電流測量系統及測量方法

有效

• 申請號: 201710819596.1
• 申請日: 2017-09-13
• 公開（公告）號: CN107621567B
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 謝騰峰;孟德棟;張凱;步琦璟;畢玲玲
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01R19/25
• 分類號: G01R19/25;G01R13/02
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純;王恩遠

一種半導體光電材料瞬態光電流測量系統，屬于光電化學分解水測量技術領域。由Nd：YAG激光器、數字示波器、前置放大器、鎖相放大器、樣品池組成；樣品池由聚四氟乙烯外殼、石英工作窗口、工作電極、參比電極、對電極和電解液組成；石英工作窗口設置在聚四氟乙烯外殼上，工作電極、對電極和參比電極呈斜三角形布置放入樣品池并浸泡在電解液中。來自Nd：YAG激光器的激光透過石英工作窗口和電解液照射到工作電極的光電材料薄膜上，前置放大器捕捉工作電極和對電極間的光電流信號，將信號放大后輸入到數字示波器，從而實現對半導體光電材料瞬態光電流的測量，光電流強度越強表明光電材料的分解水性能越強。

技術領域

本發明屬于光電化學分解水測量技術領域，具體涉及一種半導體光電材料瞬態光電流測量系統及測量方法。

背景技術

隨著能源危機和環境污染的日益加重，光電材料在解決能源和環境問題方面有著極其重要的應用前景，因此加強光電材料的基礎研究意義十分重大。在對光電材料的研究中，光電材料的性能測量是必不可少的。目前比較成熟的光電材料性能測量技術有表面光電壓、瞬態光電壓、光電流及其衍生出的累積電荷量等技術。表面光電壓和瞬態光電壓技術主要表征光生電荷在半導體內產生、分離、傳輸和復合的過程。光電流技術主要表征光電材料在模擬太陽光下的氧化還原反應底物的能力。累積電荷量技術主要表征不同電位下光生電荷在光電材料與電解液固液界面累積的技術。

上述技術都不能看到在照光瞬間光電流曲線隨時間的變化。瞬態光電流技術作為一種新的半導體光電材料光電化學分解水測量技術應運而生。

發明內容

本發明的目的在于提供一種半導體光電材料(Fe₂O₃、TiO₂、BiVO₄、Ta₃N₅、WO₃、BiOCl等)瞬態光電流測量系統及測量方法，其能夠測量光電材料在光照射后納秒到毫秒量級時間內光電流強度隨時間的變化曲線，光電流強度越強表明光電材料的分解水性能越強。本系統克服了傳統技術中電化學工作站為檢測器對于反應瞬間觀測不足的缺點，本發明是以數字示波器為核心實現的。

本發明通過以下的技術方案實現：

瞬態光電流測量系統由Nd：YAG激光器(鐳寶，Dawa-200)、數字示波器(Tektronix，TDS 5054)、前置放大器(Brookdeal lectronics，5003)、鎖相放大器(Stanford，SR830)、樣品池組成；激光器參比信號輸出通道通過BNC數據線與數字示波器觸發輸入通道連接，數字示波器測量輸入通道通過BNC數據線與前置放大器信號輸出通道連接，前置放大器信號輸入通道通過BNC數據線與樣品池工作電極和對電極連接，鎖相放大器通過BNC數據線與樣品池工作電極和參比電極連接，激光器產生的激光照射在樣品池工作電極上，如圖1所示。

具體的，Nd：YAG激光器作為光源，激光波長有532nm和355nm兩種，波長選擇根據光電材料帶隙寬度而定，選擇能量大于光電材料帶隙寬度的最大波長即可。激光頻率為1～20Hz，激光脈沖周期為5～7ns。

進一步的，數字示波器作為信號采集、觀測、記錄設備，是測量系統的核心。數字示波器帶寬為20～500MHz，采樣率為0.5～5G/s。Nd:YAG激光器的參比信號作為數字示波器的觸發信號，由此確定數字示波器的計時零點。

進一步的，前置放大器輸入阻抗100MΩ，輸出阻抗1000Ω，足夠大的輸入阻抗有利于捕捉來自樣品池工作電極和對電極間的微弱信號，足夠小的輸出阻抗有利于將信號輸出到數字示波器。

進一步的，鎖相放大器作為樣品池工作電極和參比電極的外加電壓裝置，鎖相放大器輸出的電壓具有連續、穩定、可調的特點，電壓可調范圍-10～10V。

進一步的，用激光光強計(Ophir，Starlite)測量Nd：YAG激光器輸出的激光光強。