基本簡介
什麼是光催化？
光觸媒【PHOTOCATALYSIS】是光 【Photo=Light】 + 觸媒(催化劑)【catalyst】的合成詞。光觸媒是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進化學反應的物質，光觸媒是利用自然界存在的光能轉換成為化學反應所需的能量，來產生催化作用，使周圍之氧氣及水分子激發成極具氧化力的 OH - 及 O 2 - 自由負離子。幾乎可分解所有對人體和環境有害的有機物質及部分無機物質，不僅能加速反應，亦能運用自然界的定侓，不造成資源浪費與附加污染形成。
存在原理
半導體光催化劑大多是n型半導體材料（當前以為TiO2使用最廣泛）都具有區別於金屬或絕緣物質的特別的能帶結構,即在價帶(ValenceBand,VB)和導帶(ConductionBand,CB)之間存在一個禁帶(ForbiddenBand,BandGap)。由於半導體的光吸收閾值與帶隙具有式K=1240/Eg(eV)的關係,因此常用的寬頻隙半導體的吸收波長閾值大都在紫外區域。當光子能量高於半導體吸收閾值的光照射半導體時,半導體的價帶電子發生帶間躍遷,即從價帶躍遷到導帶,從而產生光生電子(e-)和空穴(h+)。此時吸附在納米顆粒表面的溶解氧俘獲電子形成超氧負離子,而空穴將吸附在催化劑表面的氫氧根離子和水氧化成氫氧自由基。而超氧負離子和氫氧自由基具有很強的氧化性,能將絕大多數的有機物氧化至最終產物CO2和H2O,甚至對一些無機物也能徹底分解。
催化反應
光觸媒的作用
抗菌性： 殺滅大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、肺炎克雷伯氏菌、
綠膿桿菌、病毒等。
光催化水產氫試驗系統空氣淨化：分解空氣中有機化合物及有毒物質：苯、甲醛、氨、TVOC等。
除臭 ：去除香菸臭、垃圾臭、生活臭等惡臭。
防霉防藻： 防止發霉、防止藻類的產生, 防止水垢的附著。
防污自潔：分解油污、自清潔。
光觸媒的特性
.安全性
作為食品藥品添加劑，經過美國FDA認證，使用非常安全（需要說明的此處應該指微米及以上尺度的二氧化鈦，其他材料的光觸媒或是更小尺度的二氧化鈦的安全性並未得到嚴格認證）。
.持久性
由於光觸媒只是提供了反應的場所，它本身並不參與化學反應，所以它的作用效果是持久的（在存在大量礦物質的情況下，也存在鈍化的可能。比如對硬水處理是可能發生碳酸鈣等水垢沉積時作用效果會很快下降）。
當前進展
光觸媒於1967年被當時還是東京大學研究生的藤島昭教授發現。 在一次試驗中對放入水中的氧化鈦單結晶進行了光線照射，結果 發現水被分解成了氧和氫。這一效果作為 “ 本多 · 藤島效果 ” （Honda-Fujishima Effect）而聞名於世，該名稱組合了藤島教授 和當時他的指導教師----東京工藝大學校長本多健一的名字。
由於是藉助光的力量促進氧化分解反應，因此後來將這一現象中 的氧化鈦稱作光觸媒。 這種現象相當於將光能轉變為化學能，以 當時正值石油危機的背景，世人對尋找新能源的期待甚為殷切， 因此這一技術作為從水中提取氫的劃時代方法受到了矚目，但由 於很難在短時間內提取大量的氫氣，所以利用於新能源的開發終 究無法實現，因此在轟動一時後迅速降溫。
1992年第一次二氧化鈦光觸媒國際研討會在加拿大舉行， 日本的研究機構發表許多關於光觸媒的新觀念，並提出 套用於氮氧化物淨化的研究成果。因此二氧化鈦相關的 專利數目亦最多，其它觸媒關連技術則涵蓋觸媒調配的 製程、觸媒構造、觸媒擔體、觸媒固定法、觸媒性能測 試等。以此為契機，光觸媒套用於抗菌、防污、空氣淨 化等領域的相關研究急劇增加，從1971年至2000年6月 總共有10,717件光觸媒的相關專利提出申請。二氧化鈦 TiO 2 光觸媒的廣泛套用，將為人們帶來清潔的環境、健 康的身體。
物體之長度為10 -6 米稱為微米(Micrometer; mm)，10 -9 米稱為納 米(Nanometer; nm)。各種套用材料也將由微米逐漸進入納米時代。 納米材料由晶粒1~100nm大小的粒子所組成。粒徑極為微細，具 有極大的比表面積，且隨著粒徑的減少，表面原子百分比提高。 在表面上由於大量原子配位的不完全而引起高表面能的現象。表 面能量占全能量的比例大幅提高，使納米材料具吸附、光吸收、 熔點變化等特性。利用納米超微粒子技術與特性，研發出材料本身在反應時完全不 參與作用，卻可促進並提高反應能量，以催化目標反應的觸媒技 術已運用於環境清潔作用上，促使有害或有毒物質加速反應成為 穩定而無害物質，達到環保效果。
納米二氧化鈦光觸媒是一種在光的照射下，自身不起變化，卻可以促進化學反應的物質，就象植物的光合作用中的葉綠素。TiO2光觸媒在太陽光或室內螢光燈的照射下能產生抗菌、除臭、油污分解、防霉防藻、空氣淨化的作用。
光觸媒的光催化反應
光催化
作者： 張金龍 定價： ¥ 20.00 元
出版社： 華東理工大學出版社 出版日期： 2004年12月
ISBN： 7-5628-1609-3/O112 開本： 16 開
類別： 物理化學,化學工程及設備,精細化工,材料科學 頁數： 184 頁
簡介
本書作者根據近年來的研究結果並結合國內外最近的研究成果，著重介紹了集中於界面過程的多相光催化原理，分子和半導體底物中的電子激發過程，並著重闡述半導體催化劑的表面改性等.
目錄
第一章 光催化中的電子過程
第二章 TiO2光催化劑的結構、表面性能及其製備
第三章 貴金屬沉積對光催化活性的影響
第四章 複合半導體光催化劑
第五章 非金屬摻雜光催化劑
第六章 光催化過程中的過渡金屬離子
第七章 染料敏化二氧化鈦光催化
第八章 分子篩中高分散催化劑的定域結構，激發態和光催化反應活性
第九章 非均相光催化
第十章 二氧化鈦光催化膜
| 1.1半導體基礎知識概念歸納 | ||
| 本徵半導體 定義：純淨的具有 晶體結構 的半導體稱為本徵半導體。 電流形成過程： 自由電子 在外電場的作用下產生定向移動形成電流。 絕緣體 原子結構 ：最外層電子受原子核束縛力很強，很難成為自由電子。 絕緣體 導電性 ：極差。如惰性氣體和橡膠。 半導體原子結構： 半導體材料 為四價元素，它們的最外層電子既不像導體那么容易掙脫原子核的束縛，也不像絕緣體那樣被原子核束縛得那么緊。 半導體導電性能：介於半導體與絕緣體之間。 | ||
| 半導體的特點 | ||
| ★在形成晶體結構的半導體中，人為地摻入特定的雜質元素，導電性能具有可控性。 ★在光照和 熱輻射 條件下，其導電性有明顯的變化。 | ||
| 晶格：晶體中的原子在空間形成排列整齊的點陣，稱為晶格。 共價鍵 結構：相鄰的兩個原子的一對最外層電子（即 價電子 ）不但各自圍繞自身所屬的原子核運動，而且出現在相鄰原子所屬的軌道上，成為共用電子，構成共價鍵。 自由電子的形成：在常溫下，少數的價電子由於 熱運動 獲得足夠的能量，掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子。 空穴：價電子掙脫共價鍵的束縛變成為自由電子而留下一個 空位 置稱空穴。 電子電流：在外加電場的作用下，自由電子產生定向移動，形成電子電流。 空穴電流：價電子按一定的方向依次填補空穴（即空穴也產生定向移動），形成空穴電流。 本徵半導體的電流：電子電流+空穴電流。自由電子和空穴所帶電荷極性不同，它們運動方向相反。 載流子 ：運載電荷的粒子稱為載流子。 導體導電的特點：導體導電只有一種載流子，即自由電子導電。 本徵半導體電的特點：本徵半導體有兩種載流子，即自由電子和空穴均參與導電。 本徵激發 ：半導體在熱激發下產生自由電子和空穴的現象稱為本徵激發。 複合：自由電子在運動的過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，使兩者同時消失，這種現象稱為複合。 動態平衡 ：在一定的溫度下，本徵激發所產生的自由電子與空穴對，與複合的自由電子與空穴對數目相等，達到動態平衡。 載流子的濃度與溫度的關係：溫度一定，本徵半導體中載流子的濃度是一定的，並且自由電子與空穴的濃度相等。當溫度升高時，熱運動加劇，掙脫共價鍵束縛的自由電子增多，空穴也隨之增多（即載流子的濃度升高），導電性能增強；當溫度降低，則載流子的濃度降低，導電性能變差。 結論：本徵半導體的導電性能與溫度有關。半導體材料性能對溫度的敏感性，可製作熱敏和光敏器件，又造成 半導體器件 溫度穩定性差的原因。 | ||
| 雜質半導體 ：通過擴散工藝，在本徵半導體中摻入少量合適的雜質元素，可得到雜質半導體。 N型半導體：在純淨的矽晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中矽原子的位置，就形成了N型半導體。 多數載流子：N型半導體中，自由電子的濃度大於空穴的濃度，稱為多數載流子，簡稱 多子 。 少數載流子：N型半導體中，空穴為少數載流子，簡稱少子。 施子原子：雜質原子可以提供電子，稱施子原子。 N型半導體的導電特性：它是靠自由電子導電，摻入的雜質越多，多子（自由電子）的濃度就越高，導電性能也就越強。 P型半導體：在純淨的矽晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中矽原子的位置，形成P型半導體。 多子：P型半導體中，多子為空穴。 少子：P型半導體中，少子為電子。 受主原子：雜質原子中的空位吸收電子，稱受主原子。 P型半導體的導電特性：摻入的雜質越多，多子（空穴）的濃度就越高，導電性能也就越強。 結論： ★多子的濃度決定於雜質濃度。 ★少子的濃度決定於溫度。 | ||
| PN結的形成：將P型半導體與N型半導體製作在同一塊矽片上，在它們的交界面就形成PN結。 PN結的特點：具有 單嚮導電性 。 擴散運動：物質總是從濃度高的地方向濃度低的地方運動，這種由於濃度差而產生的運動稱為擴散運動。 空間電荷區 ：擴散到P區的自由電子與空穴複合，而擴散到N區的空穴與自由電子複合，所以在交界面附近多子的濃度下降，P區出現負離子區，N區出現正離子區，它們是不能移動，稱為空間電荷區。 電場形成：空間電荷區形成內電場。 空間電荷 加寬，內電場增強，其方向由N區指向P區，阻止擴散運動的進行。 漂移運動：在電場力作用下，載流子的運動稱漂移運動。 PN結的形成過程：如圖所示，將P型半導體與N型半導體製作在同一塊矽片上，在無外電場和其它激發作用下，參與擴散運動的多子數目等於參與漂移運動的少子數目，從而達到動態平衡，形成PN結。 | ||
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| 電位差 ：空間電荷區具有一定的寬度，形成電位差Uho，電流為零。 耗盡層 ：絕大部分空間電荷區內自由電子和空穴的數目都非常少，在分析PN結時常忽略載流子的作用，而只考慮離子區的電荷，稱耗盡層。 | ||
| PN結的單嚮導電性 | ||
| ★P端接電源的正極，N端接電源的負極稱之為PN結正偏。此時PN結如同一個開關合上，呈現很小的電阻，稱之為 導通狀態 。 ★P端接電源的負極，N端接電源的正極稱之為PN結反偏，此時PN結處於 截止狀態 ，如同開關打開。結電阻很大，當反向電壓加大到一定程度，PN結會發生擊穿而損壞。 | ||
| 伏安特性曲線 ：加在PN結兩端的電壓和流過二極體的電流之間的關係曲線稱為伏安特性曲線。如圖所示： 正向特性：u>0的部分稱為正向特性。 反向特性：u<0的部分稱為反向特性。 | ||
| 反向擊穿 ：當反向電壓超過一定數值U（BR）後， 反向電流 急劇增加，稱之反向擊穿。 勢壘 電容：耗盡層寬窄變化所等效的電容稱為 勢壘電容 Cb。 變容二極體 ：當PN結加反向電壓時，Cb明顯隨u的變化而變化，而製成各種變容二極體。如下圖所示。 | ||
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| 平衡少子：PN結處於平衡狀態時的少子稱為平衡少子。 非平衡少子：PN結處於 正向偏置 時，從P區擴散到N區的空穴和從N區擴散到P區的自由電子均稱為非平衡少子。 擴散電容 ：擴散區內電荷的積累和釋放過程與電容器充、放電過程相同，這種 電容效應 稱為Cd。 結電容：勢壘電容與擴散電容之和為PN結的結電容Cj。 | ||
．什麼是導體、絕緣體、半導體？
容易導電的物質叫導體，如：金屬、石墨、人體、大地以及各種酸、鹼、鹽的水溶液等都是導體。
不容易導電的物質叫做絕緣體，如：橡膠、塑膠、玻璃、雲母、陶瓷、純水、油、空氣等都是絕緣體。
所謂半導體是指導電能力介於導體和絕緣體之間的物質。如：矽、鍺、砷化鎵、磷化銦、氮化鎵、碳化矽等。半導體大體上可以分為兩類，即本徵半導體和雜質半導體。本徵半導體是指純淨的半導體，這裡的純淨包括兩個意思，一是指半導體材料中只含有一種元素的原子；二是指原子與原子之間的排列是有一定規律的。本徵半導體的特點是導電能力極弱，且隨溫度變化導電能力有顯著變化。雜質半導體是指人為地在本徵半導體中摻入微量其他元素（稱雜質）所形成的半導體。雜質半導體有兩類：N型半導體和P型半導體。
2．半導體材料的特徵有哪些？
（1）導電能力介於導體和絕緣體之間。
（2）當其純度較高時，電導率的溫度係數為正值，隨溫度升高電導率增大；金屬導體則相反，電導率的溫度係數為負值。
（3）有兩種載流子參加導電，具有兩種導電類型：一種是電子，另一種是空穴。同一種半導體材料，既可形成以電子為主的導電，也可以形成以空穴為主的導電。
（4）晶體的各向異性。
3．簡述N型半導體。
常溫下半導體的導電性能主要由雜質來決定。當半導體中摻有施主雜質時，主要靠施主提供電子導電，這種依靠電子導電的半導體叫做N型半導體。
例如：矽中摻有Ⅴ族元素雜質磷（P）、砷（As）、銻（Sb）、鉍（Bi）時，稱為N型半導體。
4．簡述P型半導體。
當半導體中摻有受主雜質時，主要靠受主提供空穴導電，這種依靠空穴導電的半導體叫做P型半導體。
例如：矽中摻有Ⅲ族元素雜質硼（B）、鋁（Al）、鎵（Ga）、銦（In）時，稱為P型半導體。
5．什麼是半絕緣半導體材料？
定義電阻率大於107Ω*cm的半導體材料稱為半絕緣半導體材料。
如：摻Cr的砷化鎵，非摻雜的砷化鎵為半絕緣砷化鎵材料。
摻Fe的磷化銦，非摻雜的磷化銦經退火為半絕緣磷化銦材料。
6．什麼是單晶、多晶？
單晶是原子或離子沿著三個不同的方向按一定的周期有規則地排列，並沿一致的晶體學取向所堆垛起來的遠程有序的晶體。
多晶則是有多個單晶晶粒組成的晶體，在其晶界處的顆粒間的晶體學取向彼此不同，其周期性與規則性也在此處受到破壞。
7．常用半導體材料的晶體生長方向有幾種？
我們實際使用單晶材料都是按一定的方向生長的，因此單晶表現出各向異性。單晶生長的這種方向直接來自晶格結構，常用半導體材料的晶體生長方向是<111>和<100>。
規定用<111>和<100>表示晶向，用（111）和（100）表示晶面。
8．什麼是電導率和電阻率？
所有材料的電導率（σ）可用下式表達：
σ=neμ
其中n為載流子濃度，單位為cm-3；e為電子的電荷，單位為C（庫侖）；μ為載流子的遷移率，單位為cm2/V*s；電導率單位為S/cm（S為西門子）。
電阻率ρ=1/σ，單位為Ω*cm
9．PN結是如何形成的？它具有什麼特性？
如果用工藝的方法，把一邊是N型半導體另一邊是P型半導體結合在一起，這時N型半導體中的多數載流子電子就要向P型半導體一邊滲透擴散。結果是N型區域中鄰近P型區一邊的薄層A中有一部分電子擴散到P型區域中去了，如圖2-6所示（圖略）。薄層A中因失去了這一部分電子而帶有正電。同樣，P型區域中鄰近N型區域一邊的薄層B中有一部分空穴擴散到N型區域一邊去了，如圖2-7所示（圖略）。結果使薄層B帶有負電。這樣就在N型和P型兩種不同類型半導體的交界面兩側形成了帶電薄層A和B（其中A帶正電，B帶負電）。A、B間便產生了一個電場，這個帶電的薄層A和B，叫做PN結，又叫做阻擋層。
當P型區域接到電池的正極，N型區域接到電池的負極時，漂移和擴散的動態平衡被破壞，在PN結中流過的電流很大（這種接法稱為正向連線）。這時，電池在PN結中所產生的電場的方向恰好與PN結原來存在的電場方向相反，而且外加電場比PN結電場強，這兩個電場疊加後電場是由P型區域指向N型區域的。因此，PN結中原先存在的電場被削弱了，阻擋層的厚度減小了，所以正向電流將隨著外加正向電壓的增加而迅速地上升。
當P型區域接到電池的負極，N型區域接到電池的正極時，在PN結中流過的電流很小（這種接法稱為反向連線）。這是由於外加電壓在PN結中所產生的電場方向是由N型區指向P型區，也即與原先在PN結中存在的電場方向是一致的。這兩個電場疊加的結果，加強了電場阻止多數載流子的擴散運動，此時，阻擋層的厚度比原來增大，原來漂移和擴散的動態平衡也被破壞了，漂移電流大於擴散電流，正是這個電流造成反向漏電流。PN結的這種性質叫做單嚮導電性。
10．何謂PN結的擊穿特性？
對PN結施加的反向偏壓增大到某一數值時，反向電流突然開始迅速增大，這種現象稱為PN結擊穿。發生擊穿時的反向偏壓稱為擊穿電壓，以VB表示。擊穿現象中，電流增大基本原因不是由於遷移率的增大，而是由於載流子數目的增加。到目前為止，基本上有三種擊穿機構：熱電擊穿、雪崩擊穿和隧道擊穿。從擊穿的後果來看，可以分為物理上可恢復的和不可恢復的擊穿兩類。熱電擊穿屬於後一類情況，它將造成PN結的永久性損壞，在器件套用時應儘量避免發生此類擊穿。雪崩擊穿和隧道擊穿屬於可恢復性的，即撤掉電壓後，在PN結內沒有物理損傷。
11．試述什麼是光電二極體。
當光照到PN結上時，光能被吸收進入晶格，使電子的能級提高，這就導致某些電子脫離它們的原子，因此產生了自由電子與空穴。在光電導光電二極體中，在PN結上加一反向電壓，由光能在結構附近產生了電子與空穴，它們被電場吸引從相反的方向穿過結形成電流，電流從負載電阻流出產生了輸出信號。光的強度越高，產生的空穴與自由電子就越多，電流也就越大。沒有光時，電流只有PN結的小的反向漏電流，這種電流稱為暗電流。
12．何謂歐姆接觸？
金屬與半導體間沒有整流作用的接觸稱為歐姆接觸。實際上的歐姆接觸幾乎都是採用金屬-N+N半導體或金屬-P+P半導體的形式製成的。在這種接觸中，金屬與重摻雜的半導體區接觸，接觸界面附近存在大量的複合中心，而且電流通過接觸時的壓降也往往小到可以不計。
製造歐姆接觸的方法有兩種。如果金屬本身是半導體的施主或受主元素，而且在半導體中有高的固溶度，就用合金法直接在半導體中形成金屬-N+或金屬-P+區。如果金屬本身不是施主或受主元素，可在金屬中摻入施主或受主元素，用合金法形成歐姆接觸。另一種方法是在半導體中先擴散形成重摻雜區，然後使金屬與半導體接觸，形成歐姆接觸。
13．遷移率表示什麼？
遷移率是反映半導體中載流子導電能力的重要因素。摻雜半導體的電導率一方面取決於摻雜的濃度，另一方面取決於遷移率的大小。同樣的摻雜濃度，載流子的遷移率越大，材料的電導率就越高。遷移率大小不僅關係著導電能力的強弱，而且直接決定載流子運動的快慢。它對半導體器件工作速度有直接的影響。不同的材料，電子和空穴的遷移率是不同的。載流子的遷移率是隨溫度而變化的。這對器件的使用性能有直接的影響。載流子的遷移率受晶體散射和電離雜質散射的影響。載流子的遷移率與晶體質量有關，晶體完整性好，載流子的遷移率高。
14．什麼是方塊電阻？
我們知道一個均勻導體的電阻R正比於導體的長度L，反比於導體的截面積S。如果這個導體是一個寬為W、厚度為d的薄層，則
R=ρL/dW=（ρ/d）（L/W）
可以看出，這樣一個薄層的電阻與（L/W）成正比，比例係數為（ρ/d）。這個比例係數就叫做方塊電阻，用R□表示：
R□=ρ/d
R=R□（L/W）
R□的單位為歐姆，通常用符號Ω/□表示。從上式可以看出，當L=W時有R=R□，這時R□表示一個正方形薄層的電阻，它與正方形邊長的大小無關，這就是取名方塊電阻的原因。
15．什麼是晶體缺陷？
晶體內的原子是按一定的原則周期性地排列著的。如果在晶體中的一些區域，這種排列遭到破壞，我們稱這種破壞為晶體缺陷。晶體缺陷對半導體材料的使用性影響很大，在大多數情況下，它使器件性能劣化直至失效。因此在材料的製備過程中都要儘量排除缺陷或降低其密度。晶體缺陷的控制是材料製備的重要技術之一。
晶體缺陷的分類：
（1）點缺陷，如空位、間隙原子、反位缺陷、替位缺陷和由它們構成的複合體。
（2）線缺陷，呈線狀排列，如位錯就是這種缺陷。
（3）面缺陷，呈面狀，如晶界、堆垛層錯、相界等。
（4）體缺陷，如空洞、夾雜物、雜質沉澱物等。
（5）微缺陷，幾何尺寸在微米級或更小，如點缺陷聚集物、微沉澱物等。
16．什麼是錯位？
當一種固體材料受到外力時就會發生形變，如果外力消失後，形變也隨著消失，這種形變稱為彈性形變；如果外力消失後，形變不消失。則稱為範性形變。位錯就是由範性形變造成的，它可以使晶體內的一原子或離子脫離規則的周期排列而位移一段距離，位移區與非位移區交界處必有原子的錯位，這樣產生線缺陷稱為位錯。
17．什麼是層錯？
簡單的說，層錯是在密排晶面上缺少或多餘一層原子而構成的缺陷，層錯是一種“面缺陷”。層錯也是矽晶體中常見的一種缺陷，層錯對器件製備工藝以及成品性能都可以發生較大的影響。生產中最熟悉的是矽外延片中的層錯。在矽外延生長時，如果不採取特殊的措施，生長出的外延層中將含有大量的層錯，以致嚴重的破壞了晶體的完整性。通過研究發現，外延片中的層錯主要起源於生長外延層的襯底晶體的表面。根據這個原因，不僅找到了克服層錯大量產生的途徑，而且發現利用層錯測量外延層的厚度的方法。
18．材料的常用表征參數有哪些？
電學參數、化學純度、晶體學參數、幾何尺寸。
電學參數包括電阻率、導電類型、載流子濃度、遷移率、少數載流子壽命、電阻率均勻性等。
化學純度是指材料的本底純度。
晶體學參數有晶向、位錯密度。
幾何尺寸包括直徑、晶片的厚度、彎曲度、翹曲度、平行度和拋光片的平坦度等
作者簡介
作者:(意)卡洛·阿爾貝特·比尼奧齊主編；張光晉，賀濤
