ch02-电子和空穴的运动与复合

南京理⼯⼤学-光电检测技术总结习题01⼀、填空题1、通常把对应于真空中波长在（0.38m µ）到（0.78m µ ）范围内的电磁辐射称为光辐射。

2、在光学中，⽤来定量地描述辐射能强度的量有两类，⼀类是（辐射度学量），另⼀类是(光度学量)。

3、光具有波粒⼆象性，既是（电磁波），⼜是（光⼦流）。

光的传播过程中主要表现为（波动性），但当光与物质之间发⽣能量交换时就突出地显⽰出光的（粒⼦性）。

4、光量Q ：?dt φ，s lm ?。

5、光通量φ：光辐射通量对⼈眼所引起的视觉强度值，单位：流明lm 。

6、发光强度I ：光源在给定⽅向上单位⽴体⾓内所发出的光通量，称为光源在该⽅向上的发光强度，ωφd d /，单位：坎德拉)/(sr lm cd 。

7、光出射度M ：光源表⾯单位⾯积向半球⾯空间内发出的光通量，称为光源在该点的光出射度，dA d /φ,单位：2/m lm 。

8、光照度E ：被照明物体单位⾯积上的⼊射光通量，dA d /φ，单位：勒克斯lx 。

9、光亮度L ：光源表⾯⼀点的⾯元dA 在给定⽅向上的发光强度dI 与该⾯元在垂直于给定⽅向的平⾯上的正投影⾯积之⽐，称为光源在该⽅向上的亮度，)cos /(θ?dA dI ，单位：2/m cd。

10、对于理想的散射⾯，有Ee= Me 。

⼆、概念题1、视见函数：国际照明委员会（CIE ）根据对许多⼈的⼤量观察结果，⽤平均值的⽅法，确定了⼈眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V (λ),或称视见函数。

2、辐射通量e φ：是辐射能的时间变化率，单位为⽡ (1W=1J/s)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。

3、辐射强度e I ：从⼀个点光源发出的，在单位时间内、给定⽅向上单位⽴体⾓内所辐射出的能量，单位为W ／sr(⽡每球⾯度)。

4、辐射出射度e M ：辐射体在单位⾯积内所辐射的通量，单位为2/m W。

空穴在平面上的运动一、CuO2平面上空穴的概念CuO2平面上的空穴是一种常见的物理概念，它指的是在金属氧化物中，由原子核之间的氧原子构成的空间结构。

它们可以在CuO2平面上形成一种特殊的拓扑结构，其中原子核之间的氧原子会形成一种被称为“空穴”的物理结构。

空穴的特性决定了它们在物理上的作用。

空穴可以对电子轨道产生影响，从而改变元素的电子性质。

当掺入一定量的空穴时，电子轨道就会从半导体性质转变为金属性质，这种转变被称为“金属-半导体转变”，它是金属氧化物材料中的重要性质之一。

CuO2平面上的空穴也可以被用来控制金属氧化物材料的电学性质，如磁性、光学性质等。

例如，在铁电材料中，空穴可以影响电子的双自旋，从而改变材料的磁性；在太阳能电池中，空穴的存在可以改变电子的轨道，从而改变太阳能电池的光学性质。

总之，CuO2平面上的空穴是一种重要的物理概念，它可以影响金属氧化物的电子性质，从而改变材料的物理性质。

它是金属氧化物材料的重要性质之一，并且可以用来控制材料的电学性质，从而改变材料的物理性质。

二、CuO2平面上空穴的运动规律CuO$_2$平面上的空穴运动规律是一种令人兴奋的物理现象。

它的运动可以被看作是一种可以被描述的随机运动，它们在平面上的运动具有一定的概率，从而产生了一种平均的空穴运动模式。

从实验上看，CuO$_2$平面上的空穴运动规律表明，它们在平面上的运动具有一定的概率，比如，如果一个空穴从一个原子中脱离，它有一定的概率会被另一个原子吸引，并且有一定的概率会在平面上运动，从而形成一种随机的空穴运动模式。

此外，CuO$_2$平面上的空穴运动规律还表明，它们在平面上的运动受到环境的影响，比如，在温度较高的情况下，空穴的运动更加活跃，而在温度较低的情况下，空穴的运动则更加缓慢，从而形成不同的空穴运动模式。

总之，CuO$_2$平面上的空穴运动规律是一种令人兴奋的物理现象，它们的运动具有一定的概率，并受到环境的影响，从而形成不同的空穴运动模式，这种空穴运动模式可以被用来解释许多物理现象，比如高温超导体的特性。

TiO2复合对TiO2的复合一般可分为半导体复合，表面光敏化和贵金属沉积三种类型。

复合作用能实现对TiO2中光生电子-空穴的分离，同时复合物也增加对可见光的吸收。

(1)半导体复合将TiO2与其它能带结构不同的半导体进行复合，称为半导体复合。

将TiO2与其它半导体复合，当两者Eg匹配时，可以有效促进TiO2和半导体化合物中光生电子-空穴的分离，如图1-14所示[27]。

复合半导体又可分为宽带隙复合和窄带隙复合，宽带隙复合是为了促使光催化剂的光生载流子的有效分离，从而抑制电子空穴的复合，提高光催化效率。

窄带隙复合在抑制电子空穴复合的同时，也可拓展光催化剂对光的响应，最终提高了光的利用效率宽带隙复合是用与TiO2的Eg相当的半导体对其进行修饰，两者的带隙可以相同，但两者的导带价带的位置不能相同，这样才能使电子和空穴存在于复合半导体不同的相中。

窄带隙复合是指用Eg小于TiO2的半导体对其进行修饰。

窄带隙复合可以有效扩展了光催化剂对光的响应，同时也抑制了电子空穴的复合。

其中CdS修饰TiO2是最典型的例子图1-4 半导体/TiO2复合体系载流子迁移示意图[27]Fig. 1-4 Schematic diagram of the semiconductor/TiO2 charge transportation[27](2)表面光敏化表面光敏化一般是指在TiO2的表面，以物理吸附或化学吸附的方式，将具有可见光活性的有机化合物复合在其表面。

图1-15为染料光敏化TiO2的原理[27]。

有机染料在可见光的激发下，VB电子跃迁至CB。

图1-5 TiO2表面光敏化示意图[27]Fig. 1-5 Schematic diagram of the TiO2 photosensitization[27](3)表面贵金属沉积贵金属沉积一般是指在TiO2的表面沉积某种贵金属形成纳米级的量子点，以改变体系中的电子分布结构，从而增强TiO2的光催化活性。

半导体物理学名词解释1、直接复合：电子在导带与价带间直接跃迁而引起非平衡载流子的复合。

2、间接复合：指的是非平衡载流子通过复合中心的复合。

3、俄歇复合：载流子从高能级向低能级跃迁发生电子-空穴复合时，把多余的能量传给另一个载流子，使这个载流子被激发到能量更高的能级上去，当它重新跃迁回到低能级时，多余的能量常以声子的形式放出，这种复合称为俄歇复合，显然这是一种非辐射复合。

4、施主杂质：V族杂质在硅、锗中电离时，能够施放电子而产生导电电子并形成正电中心，称它们为施主杂质或n型杂质。

5、受主杂质：Ⅲ族杂质在硅、锗中能够接受电子而产生导电空穴，并形成负点中心，所以称它们为受主杂质或p型杂质。

6、多数载流子：半导体材料中有电子和空穴两种载流子。

在N 型半导体中,电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。

在P型半导体中,空穴是多数载流子,电子是少数载流子。

7、能谷间散射：8、本征半导体：本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。

9、准费米能级：半导体中的非平衡载流子，可以认为它们都处于准平衡状态（即导带所有的电子和价带所有的空穴分别处于准平衡状态）。

对于处于准平衡状态的非平衡载流子，可以近似地引入与Fermi能级相类似的物理量——准Fermi能级来分析其统计分布；当然，采用准Fermi能级这个概念，是一种近似，但确是一种较好的近似。

基于这种近似，对于导带中的非平衡电子，即可引入电子的准Fermi能级；对于价带中的非平衡空穴，即可引入空穴的准Fermi能级。

10、禁带：能带结构中能态密度为零的能量区间。

11、价带：半导体或绝缘体中，在绝对零度下能被电子沾满的最高能带。

12、导带：导带是自由电子形成的能量空间，即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。

13、束缚激子：等电子陷阱俘获载流子后成为带电中心，这一中心由于库仑作用又能俘获另一种带电符号相反的载流子从而成为定域激子，称为束缚激子。

14、浅能级杂质：在半导体中、其价电子受到束缚较弱的那些杂质原子，往往就是能够提供载流子（电子或空穴）的施主、受主杂质，它们在半导体中形成的能级都比较靠近价带顶或导带底，因此称其为浅能级杂质。

第43卷第1期2015年1月硅酸盐学报Vol. 43，No. 1January，2015 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY DOI：10.14062/j.issn.0454-5648.2015.01.18 液相燃烧法合成CuCrO2及其与WO3复合后的光催化产氢性能刘先平，王桂赟，宁利娜，王延吉(河北工业大学化工学院，绿色化工与高效节能河北省重点实验室，天津300130)摘要：以硝酸铬和硝酸铜为原料兼氧化剂，甘氨酸、乙二醇和尿素为还原剂，采用液相燃烧法合成CuCrO2，并将其与n 型半导体物质WO3复合后得到的(CuCrO2-WO3)复合催化剂用于光催化产氢实验。

通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜、紫外–可见漫反射光谱(UV-vis DR)及光催化活性测试，考察了燃烧剂类型和用量对合成CuCrO2的物相组成、微观形貌、吸光性能和光催化性能的影响。

结果表明：采用甘氨酸为燃烧剂，且甘氨酸与金属离子的摩尔比为1.4:1的条件下制备的CuCrO2性能较优，其粒径较小，分散均匀；其复合后的催化剂(CuCrO2-WO3)光催化产氢活性较高。

探讨了燃烧法合成CuCrO2时物质的转化过程。

XRD分析表明，硝酸盐与燃料经剧烈燃烧反应主要得到小颗粒的Cu2O和Cr2O3，后经固相反应制得较为理想的CuCrO2晶体颗粒。

关键词：亚铬酸铜；三氧化钨；液相燃烧；光催化；氢气中图分类号：O643 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2015)01–109–07网络出版时间：2014−12−18 15:11:00 网络出版地址：/kcms/doi/10.14062/j.issn.0454-5648.2015.01.18.html Synthesis of CuCrO2 by Solution Combustion Reaction Method and Photocatalytic HydrogenProperty of CuCrO2 Composite with WO3LIU Xianping, WANG Guiyun, NING Lina, WANG Yanji(College of Chemical Engineering, Hebei University of Technology, Hebei Provincial Key Laboratory of Green Chemical Technology& High Efficient Energy Saving, Tianjin300130, China)Abstract: Delafossite (i.e., CuCrO2) was synthesized via a solution combustion reaction method using Cr(NO3)3 and Cu(NO3)2 as raw materials and oxidant, and glycine, urea and glycol as a combustion agent, respectively. The CuCrO2-WO3 composite photocatalyst was prepared with CuCrO2 and WO3 compound. The effects of combustion agent type and amount on the phase composition, morphology and light absorption property of the as-synthesized products were investigated by X-ray diffraction, scanning electron microscopy, ultraviolet-visible diffuse reflectance and photocatalytic test. The results show that CuCrO2 synthesized has smaller uniform particles, and CuCrO2-WO3 composite photocatalyst has a good photocatalytic property when glycine is used a combustion agent and the ratio of glycine and metal ions is 1.4:1. The formation process of the CuCrO2 was analyzed. It is indicated that Cu2O and Cr2O3 are produced after nitrate and fuel combustion reaction. The single phase and good crystal perfection of CuCrO2 can be formed after calcination.Key words: copper chromite; tungsten trioxide; solution combustion; photocatalysis; hydrogen自从Kawazoe首先证明CuAlO2的p型导电性和透明性能，并提出了价带化学修饰理论以来[1]，一系列铜铁矿结构的物质，如CuCrO2、CuYO2、CuGaO2、CuLnO2、CuLaO2、CuFeO2等被开发和研究[2–7]。

TiO2光催化反应机理光催化反应基本途径当能量大于TiO2禁带宽度的光照射半导体时，光激发电子跃迁到导带，形成导带电子(矿)，同时在价带留下空穴(矿)。

由于半导体能带的不连续性，电子和空穴的寿命较长，它们能够在电场作用下或通过扩散的方式运动，与吸附在半导体催化剂粒子表面上的物质发生氧化还原反应，或者被表面晶格缺陷俘获。

空穴和电子在催化剂粒子内部或表面也可能直接复合。

空穴能够同吸附在催化剂粒子表面的OH或H2O发生作用生成HO·。

HO·是一种活性很高的粒子，能够无选择地氧化多种有机物并使之矿化，通常认为是光催化反应体系中主要的氧化剂。

光生电子也能够与O2发生作用生成HO2·和O2-·等活性氧类，这些活性氧自由基也能参与氧化还原反应。

该过程如图1(a)所示，可用如下反应式表示：HO·能与电子给体作用，将之氧化，矿能够与电子受体作用将之还原，同时h+也能够直接与有机物作用将之氧化：光催化反应的量子效率低(理论上不会超过20%)是其难以实用化的最为关键因素之一。

光催化反应的量子效率取决于载流子的复合几率，载流子复合过程则主要取决于两个因素：载流子在催化剂表面的俘获过程和表面电荷迁移过程。

增加载流子的俘获或提高表面电荷迁移速率能够抑制电荷载流子复合，增加光催化反应的量子效率。

电子和空穴复合的速率很快，在TiO2表面其速率在10-9s以内，而载流子被俘获的速率相对较慢，通常在10-7~10-8s(Hoffmann，1995)。

所以为了有效俘获电子或空穴，俘获剂在催化剂表面的预吸附是十分重要的。

催化剂的表面形态、晶粒大小、晶相结构及表面晶格缺陷均会影响载流子复合及电荷迁移过程。

如果反应液中存在一些电子受体能够及时与电子作用，通常能够抑制电子空穴的复合，如Elmorsi(2000)发现溶液中含10-3M的Ag+时，其光催化效率提高，原因在于Ag+作为电子受体与电子反应生成金属银，从而减少了空穴．电子对复合的几率。

ch2chcho价层电子对
CH2CHCHO价层电子对是一种在大多数气体表面检测应用中被广泛使用的电子结构原理。

该电子结构可以检测出极少量的气体，从而精确检测出极小和低浓度气体组成。

它包括一个具有Ch2CHCHO价层电子对的特殊薄膜结构，其中Ch2CHCHO的双分子电子对可以用来精确测定非常少量的气体组分。

这种薄膜结构通过捕捉气体细小分子的电子概念来实现准确地检测气体组成。

具有Ch2CHCHO价层电子对的特殊薄膜结构可以有效地吸收和捕获空气中的激发态气体，并由此得出气体分子组成的准确比例。

CH2CHCHO价层电子对技术具有准确性高、无需详细分析就可以知道多种气体组成的特有优点，相比于其他检测技术，它的优势在于可以更准确地、快速地检测到非常少量的气体组成，这也使其在气体检测领域受到越来越多的应用。

传统的气体检测技术只能检测出大浓度气体组成，而这种技术却可以检测出极少量的气体组成。

此外，CH2CHCHO价层电子对是一种极其安全的技术，在检测过程中不会改变气体组成，在检测到激发态气体后立即返回原态，也不会损坏被测试环境。

CH2CHCHO价层电子对技术具有准确度高、无需消耗大量时间和精力的详细分析就可以知道多种气体组成的特有优势，作为一种极其先进的技术，它正在逐渐成为气体检测研究中重要的工具和手段，在检测气体组成方面发挥着越来越重要的作用。