表面等离子体共振与光催化讲述.pptx

表面等离子体共振与光催化 在金属中，价电子可以在晶体中自由移动，而金属离子被束缚在晶格位置上，但总体是电中性的，类似于气体状等离子体，因此可以把金属看作一种电荷密度很高的低温等离子体 存在于金属内部的自由电子气团称为体等离子体 存在于金属表面的自由电子气团称为表面等离子体 表面等离子体 倏逝波 全反射时，光波不是绝对在界面上被反射回第一介质，而是透入第二介质大约一个波长的深度，并沿着界面流过波长量级距离后重新返回第一介质，沿着反射光方向射出。这个沿着第二介质表面流动的波称为倏逝波。 表面等离子体共振 由于倏逝波的存在，金属表面可迁移的自由电子的电荷密度波将与入射电磁波产生耦合作用，导致电荷密度涨落，引发集体振荡，产生沿着金属表面传播的电子疏密波，称为表面等离子体波。能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子体波吸收 表面等离子体共振 金属纳米颗粒在外来入射光波电场的作用下,外层的自由电子被极化,发生运动,导致新电场的产生,从而给原有体系内部施加一种线性的内部恢复力,被局限于金属纳米颗粒内部,所产生的电子偶极震荡，称为局域表面等离子体共振。局域表面等离子体的产生条件非常简单,当一个尺寸小于亚波长的导电纳米颗粒在共振的电磁场中发生散射时，就会产生局域表面等离子体震荡。并且由于纳米颗粒的粗躁外表,局域表面等离子体仅在光波直接照射的条件下就可以产生共振，不需要相位匹配。 局域表面等离子体共振 肖特基势垒 半导体是一个n型半导体时，当WsWm, 在金属与半导体接触时，电子会从半导体注入金属，使费米能级持平，在半导体接触表面形成正的空间电荷区，使得半导体表面电子能量高于体内，能带向上弯曲，形成了表面势垒，阻碍半导体中的电子向金属转移 表面等离子体共振与光催化 肖特基势垒 半导体是一个p型半导体时，当WmWs, 在金属与半导体接触时，电子会从金属注入半导体，在半导体接触表面形成负的空间电荷区，使得半导体表面电子能量低于体内，能带向下弯曲，形成了表面势垒，形成p型阻挡层 1.贵金属纳米颗粒负载在半导体光催化剂表面,贵金属与半导体光催化剂界面会形成肖特基势垒,当半导体电子被光激发后，贵金属纳米粒子能够有效捕获光生电子,从而有效抑制光生电子-空穴复合 表面等离子体光催化剂四种作用机理 2.由表面的离子体共振激发的光生电子即电子-电子弛豫过程，具有很高的能量，一般超过半导体的导带，这样电子可以直接进入半导体导带，不需要能级匹配，只要满足弛豫电子的能量大于弯曲导带的能量就可 3.若贵金属纳米粒子与半导体光催化剂为非直接接触，由于表面等离子体共振效应产生的电磁场场强增强,也能够促使半导体光催化剂产生光生电子-空穴对，局域电磁场增强半导体载流子的分离 4.表面等离子体激发的电子与半导体价带电子碰撞，共振能量转移，把半导体价带上的电子激发到半导体导带，发生光催化反应，然后光生电子和空穴受通过半导体与金属界面形成的空间电荷层分离。对于这种情况要求表面等离子体共振激发的能量要大于半导体的禁带宽度