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等離子體是電子被剝奪后的原子及原子團(tuán)被電離后產(chǎn)生的正負(fù)離子組成的離子化氣體狀物質(zhì),被稱為除固、液、氣態(tài)以外物質(zhì)的第四態(tài)。當(dāng)足夠的能量被提供以誘導(dǎo)產(chǎn)生高能電子與粒子的相互碰撞時(shí),通過電離氣體可以產(chǎn)生等離子體。等離子體由大量的活性物質(zhì)構(gòu)成,如中性粒子(原子和分子)、處于激發(fā)態(tài)的自由基團(tuán)、離子、高能電子等,這些活性物質(zhì)的存在使得等離子體和材料作用時(shí)造成材料表面的原子重新排布或產(chǎn)生缺陷。因此等離子體其作為一種極端條件下的反應(yīng)環(huán)境,可以為常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件下難以進(jìn)行的物理化學(xué)反應(yīng)提供必要的反應(yīng)條件,從而使得等離子體技術(shù)在材料的合成、表面處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)等離子體中重粒子(如離子和處于激發(fā)狀態(tài)的中性原子)所處的熱力學(xué)平衡條件的不同,等離子體被分為熱(平衡)和非熱(非平衡)等離子體。其中,熱等離子體中的所有粒子(中性和激發(fā)態(tài)原理、離子、電子)溫度幾乎一致,溫度通常為4000K-20000K。而非熱等離子體中電子的溫度遠(yuǎn)高于重粒子,由于重粒子較低的溫度,非熱等離子的整體宏觀溫度較低,接近室溫。由于非熱等離子體的非平衡性質(zhì)、低功率需求和其在相對較低的溫度下誘導(dǎo)物理和化學(xué)反應(yīng)的能力,因而廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的制備和改性技術(shù)。

非熱等離子體技術(shù)在光電材料改性方面的應(yīng)用

理想的太陽能轉(zhuǎn)換材料的必須具有較寬的光吸收范圍。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),目前主要的改性策略如元素?fù)诫s、缺陷調(diào)制,窄帶隙材料雜化以及等離子體材料雜化等。不同于傳統(tǒng)的氧化還原化學(xué)反應(yīng)、高溫煅燒、熱溶劑處理等方式,非熱等離子體提供了一種環(huán) 保節(jié)能的方式來改性半導(dǎo)體提高光催化活性,根據(jù)具體改性機(jī)理可以分為如下幾類。 

(1) 非熱等離子體調(diào)整氧化還原性質(zhì)

非熱等離子體放電可以在各種氣體氛圍中被激發(fā),如空氣、氬氣(Ar)、氧氣(O2)、氦氣(He)、氮?dú)?N2)、甲烷(CH4)、氨氣(H3)等。在還原性氣體下氛圍中放電時(shí),活性物質(zhì)(例如氫自由基)和高能電子作用在材料表面時(shí)會還原金屬離子價(jià)態(tài),為了維持材料電中性,導(dǎo)致氧空位缺陷的形成。

(2) 非熱等離子體調(diào)整缺陷

通過破壞半導(dǎo)體晶體中原子的周期性排列可以形成缺陷,合理控制缺陷類型和缺陷濃度可以打破半導(dǎo)體的熱力學(xué)和光生載流子動力學(xué)約束來提高光催化活性。非熱等離子體放電產(chǎn)生的高能粒子轟擊材料表面并反應(yīng)產(chǎn)生揮發(fā)性的氣體產(chǎn)物,可以在材料表面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷。

(3) 非熱等離子體實(shí)現(xiàn)異質(zhì)原子摻雜

異質(zhì)原子摻雜是擴(kuò)展半導(dǎo)體材料光吸收范圍,改善光誘導(dǎo)載流子的分離的有效方法。摻雜的其他元素不僅可以作為表面反應(yīng)的固有活性位點(diǎn),還可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷形成協(xié)同效應(yīng)。

(4) 非熱等離子體制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)

等離子體放電產(chǎn)生各種活性物質(zhì)為合成異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料提供了新的方式。由于等離子體活性物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)雜性,等離子體輔助合成光電材料往往伴隨缺陷的形成。研究表明,這些缺陷空位有利于將金屬顆粒錨定在載體上,促進(jìn)異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建。

綜上,非熱等離子體技術(shù)提供了一種有效的方法來調(diào)節(jié)半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)從而擴(kuò)大光吸收范圍提高太陽能轉(zhuǎn)換效率。