半导体纳米材料的光催化特性产生的原因是什么？

为了回答这个问题，需要先补充一些概念。在半导体中，电子分布在“能带”上。在低温、不受到任何激发的时候，电子分布在“价带”上，处于基态。而受到激发（比如光激发）后电子就会吸收能量，如果吸收的能量量子（比如说光子）的能量大于半导体的带隙（或者叫禁带宽度），电子就可以跃迁到“导带”上，处于激发态，而同时由于电子的跃迁，在价带中就留下了一个空的位置，称为“空穴”。价带的最高能级与导带的最低能级之间的部分就是禁带，其能量差就是半导体的带隙，在禁带中，除非有能量陷阱，否则电子是无法在禁带中分布的。电子要么在价带分布（基态），要么在导带分布（激发态）。而在导带中的电子是一种高能量且不稳定的存在，它会设法跃迁回到基态，并在这个过程中释放出能量。如果是直接带隙半导体，则能量就可以以光子的形式辐射出来，形成发光；如果是间接带隙半导体，则发光辐射的概率就很小，能量多会以弛豫的形式释放出来。

而半导体纳米材料的光催化特性就是源自于半导体材料会吸收光能，电子跃迁到高能态上。但仅仅如此还不能产生催化的效果。纳米的尺度也是至关重要的，纳米的尺度主要为其提供了一下性质：1、为材料提供了巨大的比表面积，可以让它与被催化的物质有充分的接触面积，提高催化的效率；2、纳米尺度带来的量子限域效应，使得电子被激发起来以后，与空穴形成的“载流子对”无法被分散，相当于把能量集中在了纳米尺寸的范围之内，提高了纳米材料表面的能量密度；3、纳米材料由于巨大的表面张力的存在，表面能非常高。这些因素就使得被催化的物质不仅可以大量吸附于纳米材料之上，且当纳米材料被光激发时，能量可以很方便地被传递到被催化物上。半导体纳米材料先吸收光能，电子发生跃迁、与空穴分离，在电子跃迁回基态的过程中释放出能量，这部分能量可以有效传递给吸附于纳米材料表面的待催化物质，这样那些待催化的物质就获得了能量，称为“敏化”。被敏化以后，原本难以发生的反应就会由于获得了更高的能量而变得容易起来。这就实现了光催化。

半导体的光电导是指光照射半导体使电导增大的现象。本征半导体的电导能力（电导率）很小，经光照射后半导体内部产生光生载流子（电子或空穴），使其导电能力加大。光照射前后半导体电导的改变与光的波长、强度以及半导体中杂质缺陷态的能级位置密切相关。光电导应用于研究半导体中的杂质缺陷态，如施主、受主、缺陷、深能级杂质等在禁带中的能级位置（见半导体物理学），它的灵敏度比通常的光吸收实验高许多，电导率正比于载流子浓度及其迁移率的乘积。因此凡是能激发出载流子的入射光都能产生光电导。入射光可以使电子从价带激发到导带，因而同时增加电子和空穴的浓度；也可以使电子跃迁发生在杂质能级与某一能带之间，因而只增加电子浓度或只增加空穴浓度。前一过程引起的光电导称为本征光电导，后一过程引起的光电导称为杂质光电导。不管哪一种光电导，入射光的光子能量都必须等于或大于与该激发过程相应的能隙 ΔE（禁带宽度或杂质能级到某一能带限的距离），也就是光电导有一个最大的响应波长，称为光电导的长波限λ。http://ic.big-bit.com/

纳米发电机，是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机，是在纳米范围内将机械能转化成电能，是世界上最小的发电机。目前纳米发电机可以分为3类。

一类是压电纳米发电机，压电纳米发电机是利用特殊纳米材料（氧化锌）的压电性能与半导体性能，把弯曲和压缩的机械能转变为电能的微型发电机。还有一类是摩擦纳米发电机，摩擦发电机利用了两种对电子束缚能力不同的材料，相互接触时得失电子而在外电路产生电流的微型电机。目前主要有四种模式，垂直接触分离，平面滑动式，单电极式，独立层式。第三类为热释电纳米发电机。

基本介绍中文名 ：纳米发电机 外文名 ：nanogenerator 基于 ：规则的氧化锌纳米线 属于 ：世界上最小的发电机 包括 ：机械能转换成电能 分类 ：压电发电机、摩擦发电机 基本原理,发展前景,社会评价, 基本原理 一、压电纳米发电机原理 氧化锌具有半导体和压电的双效应，其中肖特基势垒保证了氧化锌的可以向外输出单向电流的能力，因为半导体与金属接触时，氧化锌的电子逸出功小于铂电极，电子从氧化锌流入探针（铂电极），氧化锌显示正电，形成了类似于PN结的形式，当外界电场方向从铂电极到氧化锌，内部电子可以流动，输出电流。 氧化锌线弯曲时会产生两侧的电势，由于氧离子与锌离子相对移动，导致在压缩的地方显示负电，在拉伸的地方显示正电，铂探针可以看作零电势。只有探针放在压缩的一侧时，产生的电势差显示正电，相当于PN被导通，在外电路产生电流。反之，相当于PN结的反向饱和电流，电流较小，不能产生电压输出。 二、摩擦纳米发电机原理 采用了尼龙与聚四氟乙烯，两者接触时聚四氟乙烯得到电子，当滑移产生时，两者离开接触面的部分需要保持电中性，电子从聚四氟乙烯流向尼龙，这样在外电路产生了向下的电流；当两者相互接触时，已经接触的面保持电中性，之前流动的电子需要流回才能保持电中性，这样在外电路实现了向上的电流。 发展前景 对于压电发电机，目前前景是超音波发电机和弯曲的柔性发电机。 超音波发电机分为三层，第一层为涂有铂的螺旋形矽电极，中间是氧化锌的纳米线，底部是导电性好的电极。通过超音波对表面的振动，使得氧化锌发生弯曲，锯齿状的铂电极会接触氧化锌的一侧，这样就会有电流产生出来。 柔性发电机，发电机采用柔性的PDMS材料，在水平面上涂抹生长平行密集的氧化锌纳米线，在纳米线两极涂有金的电极，向外输出电压。通过弯曲基板，可以使纳米线产生弯曲，一段产生正电一段负电，相当于将竖直面的弯曲引入到水平面上。 美国《科学》报导，美国乔治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等成功地在纳米尺度下将机械能转换成电能，在世界上首次研制成功纳米发电机。正在北京的王中林在接受《科学时报》采访时说，“这是我在这个研究领域10多年最让我激动的发明。”他认为这是国际纳米领域的最让人激动的重大发现，它一定会引起整个纳米学界对纳米电源方面研究的巨大热潮。 作为乔治亚理工学院校董事讲座教授和工学院杰出讲座教授，王中林同时也是北京大学工学院先进材料和纳米技术系系主任、中国国家纳米科学中心海外主任，这项工作是他和博士生宋金会共同完成的。 王中林认识到氧化锌独特的半导体、光学和生物学性能，具有其它纳米材料不可替代的作用，因此，他的研究小组一直致力于以氧化锌为基础的纳米材料的合成和套用研究。2001年，他们在《科学》杂志上报告首次合成氧化锌半导体材料带，这篇论文已被引用1100多次。之后，他们又研制出纳米环、纳米螺旋等器件。 王中林相信纳米发电机无论在生物医学、军事、无线通信和无线感测方面都将有广泛的重要套用。他说：“这一发明可以整合纳米器件，实现真正意义上的纳米系统，它可以收集机械能，比如人体运动、肌肉收缩等所产生的能量；震动能，比如声波和超音波产生的能量；流体能量，比如体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，从而让无纳米器件或纳米机器人实现能量自供。” 鞋内装上一个"纳米发电机"，人们一边走路一边便可给手机或者MP3播放器充电。在不久的将来，这将有望成为现实。 王中林还表示，单个的纳米发电机虽然研发出来了，但其毕竟功率有限。未来真正投入使用的话，必须要有大量的纳米发电机共同工作，组成一个"发电机组"。因此，课题组下一步的工作便是要想办法研发出多个纳米发电机联合发电的装置。 社会评价 纳米发电机的发明，被中国两院院士评为2006年度世界科学十大科技进展之一；2008年，被英国《物理世界》评选为世界科技重大进展之一；2009年，《MITTechnologyReview》评选为十大创新技术之一《ScienceWatch》在有关能源和燃料的一刊中重点报导了王教授发明纳米发电机的过程和重大意义；英国《新科学家》期刊把纳米发电机评为在未来十到三十年以后可以和手机的发明具有同等重要性和影响的十大重要技术之一。

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