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測試表征系列丨5分鐘全面了解功函數(shù)的概念、表征和應用！

來源：科學10分鐘時間：2021-10-22 18:34:10 瀏覽：13549次

1、功函數(shù)的概念

功函數(shù)(work function)又稱功函、逸出功，在固體物理中被定義為把一個電子從固體內(nèi)部剛剛移到此物體表面所需的最小能量（圖1）^[1]。對于金屬而言，金屬的功函數(shù)表示為一個起始能量等于費米能級的電子，由金屬內(nèi)部逸出到真空中所需要的最小能量，其值大小通常大概是金屬自由原子電離能的二分之一。同樣地將真空中靜止電子的能量與半導體費米能級的能量之差定義為半導體的功函數(shù)。一般將功函數(shù)按照電子能量的來源或者說是電子受激發(fā)的方式，將功函數(shù)分為“熱功函數(shù)”和“光電功函數(shù)”。

（1）當電子從熱能中吸收能量，激發(fā)到達表面稱之為熱功函數(shù)。

（2）當電子從光子中吸收能量，激發(fā)到達表面時稱之為光電功函數(shù)。

圖1 功函數(shù)的示意圖

2、功函數(shù)的表征方法

功函數(shù)的測試表征方法主要有光電子發(fā)射閥值法、開爾文探針法、熱陰極發(fā)射阻擋電勢法、熱電子發(fā)射法、場發(fā)射法、光電子發(fā)射法、電子束（或離子束）減速電勢法和掃描低能電子探針法等。其中，最常用的測試儀器為紫外光電子能譜儀（UPS）和掃描開爾文探針系統(tǒng)（SKP）。

1、Applied Catalysis B: Environmental：理想摻雜和功函數(shù)調(diào)諧的一維WO₃應用于高效光電化學水分解

光電化學 (PEC) 水分解提供了一種通過太陽能生產(chǎn)化學燃料（如氫和氧）的綠色、可持續(xù)和可再生途徑，并有望解決未來的能源和環(huán)境問題。由半導體組成的光電電極材料是PEC水分解反應器的關(guān)鍵元件，其性質(zhì)決定了H₂/O₂的生產(chǎn)效率。具體而言，用于 PEC 水分解的理想材料應擁有足夠的光吸收的窄帶隙，適合水氧化和還原（分別使用光生空穴和電子）的帶邊電位，電極體相和表面的低電荷轉(zhuǎn)移電阻，有利的用于催化反應的晶面、形態(tài)和表面，并在光照和 H₂/O₂生產(chǎn)過程中具有豐富、經(jīng)濟、無毒和穩(wěn)定性等特性。

近年來，WO₃由于其n型半導體特性、低毒性、低成本和水氧化能力被視為PEC水分解系統(tǒng)中的有效光電陽極，但是其水分解效率很大程度上取決于受摻雜影響的結(jié)構(gòu)缺陷、晶界、晶面和表面形態(tài)的存在。因此，確定摻雜后在WO₃表面引起的電荷動力學變化是至關(guān)重要的。

為此，韓國亞洲大學的Hyungtak Seo團隊提出了對WO₃進行稀土金屬Y摻雜，并首次利用納米尺度表面電荷觀察來研究WO₃的特性和功函數(shù)^[2]。研究結(jié)果表明，在WO₃中摻雜Y可以得到{002}晶面取向的一維形貌（圖2），導帶電勢移向水還原電勢附近，帶隙和功函數(shù)減小，體電荷和表面電荷傳輸/轉(zhuǎn)移性能得到改善，從而增強了PEC的活性。當Y的摻雜量為1.14 at.%時，制氧法拉第效率提高，導帶向上移動，制氫法拉第效率大于95%，在1.23 V vs RHE下的光電流為2.25 mA cm²（圖3）。重要的是，通過對納米尺度表面電荷進行映現(xiàn)，揭示了功函數(shù)的降低和電荷動力學的提升是太陽能水分解效率提升的主要原因（圖4）。

圖2 Y摻雜的WO₃的結(jié)構(gòu)表征

圖3 未摻雜的與Y摻雜的WO₃的光電化學水分解性能

圖4 未摻雜的與Y摻雜的WO₃的表面形貌和功函數(shù)

2、Applied Catalysis B: Environmental: Fe調(diào)制的Bi₂MoO₆高效固氮光催化劑：降低表面功、優(yōu)化表面反應

光催化固氮技術(shù)憑借其節(jié)約能源，環(huán)境友好等特點已成為廣大科研工作者的研究熱點，被認為是一種有望替代傳統(tǒng)的哈伯法的新興固氮技術(shù)。在光催化反應中，光生載流子的動力學行為，即載流子遷移速度和表面反應對光催化劑的性能起著重要作用。因此，科研人員為優(yōu)化光生載流子動力學行為做了許多工作，如異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑、形貌調(diào)節(jié)、貴金屬負載、摻雜等。摻雜策略是改善光催化性能的一種簡便而有效的方法，并且在體系中引入雜原子可以調(diào)控半導體材料的表面功函數(shù)，進而對光生載流子的動力學行為進行改善。目前已有報道通過引入 Ce、V、Co、Mo、Ni 等元素，能夠改善半導體材料的光催化固氮性能，其中Fe³⁺由于成本低、效果優(yōu)異的特點，被廣泛應用于固氮光催化劑改性研究中。然而，其作用機理仍不明確。

為此，哈爾濱工業(yè)大學的陳剛和孫凈雪團隊制備了一種Fe³⁺摻雜的 Bi₂MoO₆高效光催化劑，F(xiàn)e³⁺摻雜顯著提高了樣品的光催化固氮性能（圖5）^[3]。研究結(jié)果表明，F(xiàn)e³⁺摻雜改性有效降低了Bi₂MoO₆催化劑的表面功函數(shù)（圖6），促進載流子向材料表面遷移。對樣品進行光電化學分析，發(fā)現(xiàn)摻雜后的樣品具有明顯的充-放電現(xiàn)象，這是由于在材料表面形成 Fe³⁺/Fe²⁺的電子轉(zhuǎn)移路徑，促進光生載流子的有效分離（圖7）。本研究為改進光催化氮還原反應提供了新的途徑，為固氮光催化劑的改性研究奠定了基礎。

圖5 Fe³⁺摻雜的 Bi₂MoO₆的表征

圖6 不同含量Fe³⁺摻雜的 Bi₂MoO₆的功函數(shù)

圖7 Fe³⁺摻雜Bi₂MoO₆在可見光照射下的光催化過程示意圖

3、Nano Energy：基于隧道氧化物/低功函數(shù)金屬堆的無摻雜電子選擇接觸原理及其在異質(zhì)結(jié)太陽能電池中的應用

背接觸硅異質(zhì)結(jié)(IBCHJ)太陽能電池(SCs)通過兩個接觸區(qū)域的近乎理想的能帶對準，可以實現(xiàn)高效率的功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)。通過本征氫化非晶硅a-Si:H(i)膜的高質(zhì)量鈍化，a-Si(p⁺)和a-Si(n⁺)膜層可以進一步提供足夠高的空穴/電子輸運選擇性。n-si /a-Si:H(i)/a-Si(p⁺)或n- si /a-Si:H(i)/a-Si(n⁺)被稱為空穴/電子選擇接觸，而a-Si(p⁺)/a-Si(n⁺)稱為空穴/電子輸運層(HTL/ETL)。載流子選擇性接觸 (CSC) 的概念已擴展到無摻雜結(jié)構(gòu)，并且已經(jīng)探索了各種可用作HTL或ETL的功能材料。

事實上，SiO_x憑借其較寬的禁帶寬度，與TiO_x和a-Si:H(i)相比具有更強的空穴阻擋能力，并且SiO_x/摻雜多晶硅的堆疊已廣泛應用于眾所周知的隧道氧化物鈍化接觸(TOPCon)中作為一種高效的電子選擇性解決方案。然而由于較差的鈍化性能和相對較高的電阻率，SiO_x薄膜總是被排除在CSC中作為可行的界面層之外。為了追求高性能的無摻雜異質(zhì)結(jié)太陽能電池 (HSC)，CSC同時需要高質(zhì)量的鈍化和相對較低的電阻損耗，一種可能的策略便是通過使用低功函數(shù)金屬 (WFM)，它可以定制異質(zhì)界面帶結(jié)構(gòu)，以降低多數(shù)載流子傳輸?shù)膭輭靖叨取?/span>

為此，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所葉繼春團隊提出了一種由 SiO_x/低WFM堆組成的無摻雜電子選擇性接觸（圖8）^[4]。研究結(jié)果表明，盡管隧道SiO_x層的鈍化質(zhì)量無法與高質(zhì)量的a-Si(i)或TiO_x層相比，但使用低WFM有利于通過改性獲得較低的ρ_c和改善的鈍化質(zhì)量能帶對齊。對包含SiO_x /低WFM的CSC的仿真結(jié)果表明，隧道SiO_x層減輕了費米能級釘扎，并且低WFM有助于降低有效勢壘高度和接觸電阻率（圖9）。這種雙功能電子選擇性設計對c-Si表面的表面態(tài)密度以及SiO_x層厚度具有很高的耐受性。此外，這種完全不含摻雜劑的c-Si HSC具有SiO_x /低WFM電子選擇性接觸和MoO_x空穴選擇性接觸特性，PCE可達21.8%（圖10）。

圖8 熱力學平衡下n-Si/SiO_x/金屬接觸的能帶圖

圖9 仿真模擬結(jié)果

圖10 c-Si HSC的性能測試

參考文獻：

[1] Mingshan Xue, et al. Dependence of electron work function of Al-Mg alloys on surface structures and relative humidity. Physica B: Condensed Matter. 2011, 406, 4240-4244.

[2] Shankara S. Kalanur, et al. Enhanced solar water splitting of an ideally doped and work function tuned {002} oriented one-dimensional WO₃ with nanoscale surface charge mapping insights. Applied Catalysis B: Environmental. 2021, 295, 120269.

[3] Qingqiang Meng, et al. High-efficiency Fe-Mediated Bi₂MoO₆ nitrogen-fixing photocatalyst: Reduced surface work function and ameliorated surface reaction. Applied Catalysis B: Environmental. 2019, 256, 117781.

[4] Zhenhai Yang, et al. Principles of dopant-free electron-selective contacts based on tunnel oxide/low work-function metal stacks and their applications in heterojunction solar cells. Nano Energy. 2018, 46, 133–140.

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