等离子体是电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质,被称为除固、液、气态以外物质的第四态。当足够的能量被提供以诱导产生高能电子与粒子的相互碰撞时,通过电离气体可以产生等离子体。等离子体由大量的活性物质构成,如中性粒子(原子和分子)、处于激发态的自由基团、离子、高能电子等,这些活性物质的存在使得等离子体和材料作用时造成材料表面的原子重新排布或产生缺陷。因此等离子体其作为一种极端条件下的反应环境,可以为常规实验条件下难以进行的物理化学反应提供必要的反应条件,从而使得等离子体技术在材料的合成、表面处理等领域有着广泛的应用。

根据等离子体中重粒子(如离子和处于激发状态的中性原子)所处的热力学平衡条件的不同,等离子体被分为热(平衡)和非热(非平衡)等离子体。其中,热等离子体中的所有粒子(中性和激发态原理、离子、电子)温度几乎一致,温度通常为4000K-20000K。而非热等离子体中电子的温度远高于重粒子,由于重粒子较低的温度,非热等离子的整体宏观温度较低,接近室温。由于非热等离子体的非平衡性质、低功率需求和其在相对较低的温度下诱导物理和化学反应的能力,因而广泛应用于半导体材料的制备和改性技术。

非热等离子体技术在光电材料改性方面的应用

理想的太阳能转换材料的必须具有较宽的光吸收范围。为实现这些目标,目前主要的改性策略如元素掺杂、缺陷调制,窄带隙材料杂化以及等离子体材料杂化等。不同于传统的氧化还原化学反应、高温煅烧、热溶剂处理等方式,非热等离子体提供了一种环 保节能的方式来改性半导体提高光催化活性,根据具体改性机理可以分为如下几类。 

(1) 非热等离子体调整氧化还原性质

非热等离子体放电可以在各种气体氛围中被激发,如空气、氩气(Ar)、氧气(O2)、氦气(He)、氮气(N2)、甲烷(CH4)、氨气(H3)等。在还原性气体下氛围中放电时,活性物质(例如氢自由基)和高能电子作用在材料表面时会还原金属离子价态,为了维持材料电中性,导致氧空位缺陷的形成。

(2) 非热等离子体调整缺陷

通过破坏半导体晶体中原子的周期性排列可以形成缺陷,合理控制缺陷类型和缺陷浓度可以打破半导体的热力学和光生载流子动力学约束来提高光催化活性。非热等离子体放电产生的高能粒子轰击材料表面并反应产生挥发性的气体产物,可以在材料表面产生结构缺陷。

(3) 非热等离子体实现异质原子掺杂

异质原子掺杂是扩展半导体材料光吸收范围,改善光诱导载流子的分离的有效方法。掺杂的其他元素不仅可以作为表面反应的固有活性位点,还可以产生结构缺陷形成协同效应。

(4) 非热等离子体制备异质结构

等离子体放电产生各种活性物质为合成异质结构材料提供了新的方式。由于等离子体活性物质构成的复杂性,等离子体辅助合成光电材料往往伴随缺陷的形成。研究表明,这些缺陷空位有利于将金属颗粒锚定在载体上,促进异质结的构建。

综上,非热等离子体技术提供了一种有效的方法来调节半导体材料的电子结构从而扩大光吸收范围提高太阳能转换效率。