[发明专利]一种半导体光电材料瞬态光电流测量系统及测量方法

说明书

一种半导体光电材料瞬态光电流测量系统，属于光电化学分解水测量技术领域。由Nd：YAG激光器、数字示波器、前置放大器、锁相放大器、样品池组成；样品池由聚四氟乙烯外壳、石英工作窗口、工作电极、参比电极、对电极和电解液组成；石英工作窗口设置在聚四氟乙烯外壳上，工作电极、对电极和参比电极呈斜三角形布置放入样品池并浸泡在电解液中。来自Nd：YAG激光器的激光透过石英工作窗口和电解液照射到工作电极的光电材料薄膜上，前置放大器捕捉工作电极和对电极间的光电流信号，将信号放大后输入到数字示波器，从而实现对半导体光电材料瞬态光电流的测量，光电流强度越强表明光电材料的分解水性能越强。

技术领域

本发明属于光电化学分解水测量技术领域，具体涉及一种半导体光电材料瞬态光电流测量系统及测量方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染的日益加重，光电材料在解决能源和环境问题方面有着极其重要的应用前景，因此加强光电材料的基础研究意义十分重大。在对光电材料的研究中，光电材料的性能测量是必不可少的。目前比较成熟的光电材料性能测量技术有表面光电压、瞬态光电压、光电流及其衍生出的累积电荷量等技术。表面光电压和瞬态光电压技术主要表征光生电荷在半导体内产生、分离、传输和复合的过程。光电流技术主要表征光电材料在模拟太阳光下的氧化还原反应底物的能力。累积电荷量技术主要表征不同电位下光生电荷在光电材料与电解液固液界面累积的技术。

上述技术都不能看到在照光瞬间光电流曲线随时间的变化。瞬态光电流技术作为一种新的半导体光电材料光电化学分解水测量技术应运而生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体光电材料(Fe₂O₃、TiO₂、BiVO₄、Ta₃N₅、WO₃、BiOCl等)瞬态光电流测量系统及测量方法，其能够测量光电材料在光照射后纳秒到毫秒量级时间内光电流强度随时间的变化曲线，光电流强度越强表明光电材料的分解水性能越强。本系统克服了传统技术中电化学工作站为检测器对于反应瞬间观测不足的缺点，本发明是以数字示波器为核心实现的。

本发明通过以下的技术方案实现：

瞬态光电流测量系统由Nd：YAG激光器(镭宝，Dawa-200)、数字示波器(Tektronix，TDS 5054)、前置放大器(Brookdeal lectronics，5003)、锁相放大器(Stanford，SR830)、样品池组成；激光器参比信号输出通道通过BNC数据线与数字示波器触发输入通道连接，数字示波器测量输入通道通过BNC数据线与前置放大器信号输出通道连接，前置放大器信号输入通道通过BNC数据线与样品池工作电极和对电极连接，锁相放大器通过BNC数据线与样品池工作电极和参比电极连接，激光器产生的激光照射在样品池工作电极上，如图1所示。

具体的，Nd：YAG激光器作为光源，激光波长有532nm和355nm两种，波长选择根据光电材料带隙宽度而定，选择能量大于光电材料带隙宽度的最大波长即可。激光频率为1～20Hz，激光脉冲周期为5～7ns。

进一步的，数字示波器作为信号采集、观测、记录设备，是测量系统的核心。数字示波器带宽为20～500MHz，采样率为0.5～5G/s。Nd:YAG激光器的参比信号作为数字示波器的触发信号，由此确定数字示波器的计时零点。

进一步的，前置放大器输入阻抗100MΩ，输出阻抗1000Ω，足够大的输入阻抗有利于捕捉来自样品池工作电极和对电极间的微弱信号，足够小的输出阻抗有利于将信号输出到数字示波器。

进一步的，锁相放大器作为样品池工作电极和参比电极的外加电压装置，锁相放大器输出的电压具有连续、稳定、可调的特点，电压可调范围-10～10V。

进一步的，用激光光强计(Ophir，Starlite)测量Nd：YAG激光器输出的激光光强。