[发明专利]一种微纳米尺度表面光生电荷成像系统和方法

说明书

本发明涉及一种微纳米尺度表面光生电荷成像系统和方法，系统包括：顺序连接的斩波器、锁相放大器、同步单元和开尔文力显微镜，所述开尔文力显微镜与锁相放大器连接；方法包括斩波器将光源转化为瞬态光至开尔文力显微镜的样品；开尔文力显微镜测量样品微区瞬态光下表面电势的变化，并将表面电势信号输出到锁相放大器；锁相放大器根据斩波频率和表面电势信号得到振幅和相位；同步单元根据瞬态光电压的振幅以及相位与开尔文力显微镜形貌成像进行同步，得到显示光生空穴和光生电子的样品形貌成像图。本发明可以有效的获得微纳米尺度半导体光催化剂粒子表面光生电荷成像，为从微纳米尺度研究半导体光催化剂光生电荷分离、传输及分布提供有效手段。

技术领域

本发明涉及一种微纳米尺度表面光生电荷成像方法，适用于半导体微粒或器件微纳米尺度的光生电荷分离传输研究。

背景技术

适用半导体基光催化剂分解水制氢和CO₂还原是利用太阳能解决人类能源环境问题的最重要途径，受到广泛关注。但目前为止，太阳能利用效率低下，最大的太阳能转化为氢能的效率才至1％，远远不能满足人类的要求，其中最重要原因是光生的电荷大量复合不能有效的分离并传输到半导体光催化剂表面参与化学反应。因此，半导体光催化剂光生电荷分离及传输的研究成为太阳能转化利用研究领域的关键。人们正在发展一系列光催化材料的合成方法和组装策略，包括半导体催化剂表面纳米结构的修饰，晶面的定向合成、低维结构的合成、异相结/异质结的构建和助催化剂的组装策略，在一定程度上提高了电荷分离效率从而提高光催化分解水的效率。但是由于半导体光催化剂尺寸是微纳米级别，且光催化过程及其复杂，缺乏微纳米尺度的表征手段，研究人员对光催化过程特别是光生电荷的分离、传输及在半导体粒子表面分布认识较少，大大阻碍了从微纳米尺度上设计、合成新型高效的光催化体系。

解决上述问题，需要发展微纳米尺度的光生电荷分离及分布表征手段。开尔文力显微镜可以进行空间分辨的表面电势成像，但不能直接关联表面光生电荷且测得的电势信号受环境如温度、湿度、样品表面气氛影响较大，不能有效的反映光生电荷情况。

发明内容

针对上述技术不足，本发明的目的在于提供一种微纳米尺度表面光生电荷成像方法，用于测量半导体表面微区的表面光生电荷分布。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微纳米尺度表面光生电荷成像系统，包括：顺序连接的斩波器、锁相放大器、同步单元和开尔文力显微镜，所述开尔文力显微镜与锁相放大器连接；

斩波器，用于将光源转化为瞬态光至开尔文力显微镜的样品；

开尔文力显微镜，用于测量样品微区瞬态光下表面电势的变化，并将表面电势信号输出到锁相放大器；

锁相放大器，用于根据斩波器的斩波频率和表面电势信号得到瞬态光电压的振幅和相位；

同步单元，用于根据瞬态光电压的振幅以及相位与开尔文力显微镜形貌成像进行同步，得到显示光生空穴和光生电子的样品形貌成像图。

所述同步单元通过FPGA实现。

所述斩波器与光源之间设有透镜。

一种微纳米尺度表面光生电荷成像方法，包括以下步骤：

斩波器发出瞬态光至开尔文力显微镜的样品；

开尔文力显微镜测量样品微区瞬态光下表面电势的变化，并将表面电势信号输出到锁相放大器；

锁相放大器根据斩波器的斩波频率和表面电势信号得到瞬态光电压的振幅和相位；

同步单元根据瞬态光电压的振幅和相位、以及开尔文力显微镜形貌成像进行同步，得到显示光生空穴和光生电子的样品形貌成像图。

所述同步单元根据瞬态光电压的振幅和相位、以及开尔文力显微镜形貌成像进行同步包括以下步骤：