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等離子體是電子被剝奪后的原子及原子團被電離后產生的正負離子組成的離子化氣體狀物質,被稱為除固、液、氣態以外物質的第四態。當足夠的能量被提供以誘導產生高能電子與粒子的相互碰撞時,通過電離氣體可以產生等離子體。等離子體由大量的活性物質構成,如中性粒子(原子和分子)、處于激發態的自由基團、離子、高能電子等,這些活性物質的存在使得等離子體和材料作用時造成材料表面的原子重新排布或產生缺陷。因此等離子體其作為一種極端條件下的反應環境,可以為常規實驗條件下難以進行的物理化學反應提供必要的反應條件,從而使得等離子體技術在材料的合成、表面處理等領域有著廣泛的應用。

根據等離子體中重粒子(如離子和處于激發狀態的中性原子)所處的熱力學平衡條件的不同,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(中性和激發態原理、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、低功率需求和其在相對較低的溫度下誘導物理和化學反應的能力,因而廣泛應用于半導體材料的制備和改性技術。

非熱等離子體技術在光電材料改性方面的應用

理想的太陽能轉換材料的必須具有較寬的光吸收范圍。為實現這些目標,目前主要的改性策略如元素摻雜、缺陷調制,窄帶隙材料雜化以及等離子體材料雜化等。不同于傳統的氧化還原化學反應、高溫煅燒、熱溶劑處理等方式,非熱等離子體提供了一種環 保節能的方式來改性半導體提高光催化活性,根據具體改性機理可以分為如下幾類。 

(1) 非熱等離子體調整氧化還原性質

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

(2) 非熱等離子體調整缺陷

通過破壞半導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體的熱力學和光生載流子動力學約束來提高光催化活性。非熱等離子體放電產生的高能粒子轟擊材料表面并反應產生揮發性的氣體產物,可以在材料表面產生結構缺陷。

(3) 非熱等離子體實現異質原子摻雜

異質原子摻雜是擴展半導體材料光吸收范圍,改善光誘導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的固有活性位點,還可以產生結構缺陷形成協同效應。

(4) 非熱等離子體制備異質結構

等離子體放電產生各種活性物質為合成異質結構材料提供了新的方式。由于等離子體活性物質構成的復雜性,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,促進異質結的構建。

綜上,非熱等離子體技術提供了一種有效的方法來調節半導體材料的電子結構從而擴大光吸收范圍提高太陽能轉換效率。