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测量材料的带隙对半导体、纳米材料以及太阳能等行业均非常重要。此篇文章描述了如何从某一材料的紫外吸收光谱确定它的带隙。
“带隙”指的是价带跟导带之间的能量差（图1）；电子能够从某一能带跃迁到另一能带。对于电子来说要从价带跃迁到导带，需要一个一定的最小能量来跃迁，即带隙能。1,2
图1.带隙的解释说明（点击查看大图）
在半导体和纳米材料行业测量带隙是非常重要的。绝缘体的带隙大（＞4 eV），导体的带隙小（＜3 eV）。某一半导体的带隙特性可以通过不同的半导体合金得到控制，如GaAlAs，InGaAs和InAlAs。参考文献1给出了不同材料以及对应的带隙。
控制材料带隙参数的另一个选择方案是在硅基底上镀上不同材料的多层结构，此方法被广泛应用在制作光伏太阳能电池的太阳能行业。因为带隙决定了光伏电池所吸收的太阳光谱区域，所以非常重要。3到达地球的大部分太阳辐射是由能量值大于硅带隙的波长组成的。这些高的能量将被太阳能电池吸收，但是由于能量上的差异部分被转换为热量而不是可用的电能。因而，除非带隙得到控制，要不然太阳能电池的效率会非常低。使用具有不同带隙的不同材料的多层结构被证明是一种有效的最大化太阳能电池效率的方法。
在半导体和纳米材料行业，二氧化钛TiO2作为其中的一种镀膜材料被使用。TiO2被认为可通过散射从金属电极反射回的光促进内部对光的捕获，并且可以改善电子载体在活性层间的传输。4
01
实验
根据以往经验测试纳米材料时样品量会非常少且珍贵，所以对于此类分析采样方式就成了一个关键问题。此实验在一台LAMBDA 1050+紫外/可见/近红外分光光度计（带有一个150 mm积分球）完成（珀金埃尔默，Inc.，Shelton，CT USA），如图2所示。
图2.LAMBDA 1050+紫外/可见/近红外系统带150 mm积分球（点击查看大图）
盛有粉末样品的样品架（Prama Industries，Mumbai，India-图3）夹在积分球的外光窗。使用了一个微量粉末样品压具。
图3.粉末样品压具及样品杯
积分球的光路图示于图4。
图4.150 mm积分球光路图（点击查看大图）
图5.UV WinLab?软件设置（点击查看大图）
样品的测试在表1所列的参数下进行：
积分球的入口保持敞开，以最大程度减少镜面反射分量对测试的影响，降低可能在光谱范围末段产生的干涉条纹等干扰。光谱以吸光度/波长和反射率/波长两种方式记录。
由于Lambda1050+有两个样品仓，可以在第二样品仓安装积分球，不会遮挡主样品仓，特别适合此项测试。
02
结果和讨论
所获得的TiO2的光谱示于图6。
图6.TiO2的紫外/可见吸收光谱（点击查看大图）
所记录的光谱数据显示在410.57 nm有最强烈的截止，此处吸收值最小。R%模式数据也同样可以看到。
03
计算
结论
使用同样的实验条件和附件，各种粉末状纳米材料的禁带能值均可计算出来。图7是文献给出的该实验其他典型参考光谱。5
图7.TiO2-(X)ZnFe2O4纳米材料的紫外/可见吸收光谱（点击查看大图）
X = 不同摩尔浓度的ZnFe2O4
X = 0.01 (暗绿)，0.05 (浅绿)，0.1 (咖啡色)，0.15 (粉色)，0.20 (橘黄色)。
TiO2水解(蓝色)，纯 TiO2(紫色)。
使用专门设计的微量粉末样品架的最大特点是:
1
可以直接分析微量的粉末样品
2
由于专门设计的手动压片装置，粉末被紧紧地的压进杯子里面而且不会滑到积分球里面
3
所需样品量仅需常规粉末样品架的1/30
4
压片系统能给出非常平整的表面来进行反射实验
5
用于测试光束直接照射样品，将镜面反射部分降低到了最低
参考文献
1.Hoffman, M., Martin, S., Choi, W., & Bahnemann, D. (1995).“Environmental applications of semiconductor photo catalysis,”Chemical Review, vol. 95, pp. 69-96.
2.Wikipedia: Bandgap definition and diagram,/wiki/Bandgap.
3.An Investigation of TiO2-ZnFe2O4 Nanocomposites for Visible Light Photo catalysis by Jeremy Wade, A thesis submitted to Department of Electrical Engineering; College of Engineering, University of South Florida, March 24, 2005.
4.Fundamentals of Molecular Spectroscopy; C.N. Banwell University of Sussex, 3rd edition, May 1983.
5.Wikipedia: Effect of TiO2 Nanoparticles on Polymer-Based Bulk Heterojunction Solar Cells http://jjap.ipap.jp/link?JJAP/45/L1314/,Bandgap
/content/els/02540584/2003/00000078/00000001/art00343
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