涂料中半导体纳米粒子的光化学涂料中半导体纳米粒子的光化学孙协志

涂料中半导体纳米粒子的光化学,涂料中半导体纳米粒子的光化学

SpecialChem　　　介绍　　半导体纳米粒子的光化学性能对于许多涂料的质量和性能有着深远的意义。仅仅是这些词汇的组合通常是不可能描绘出各种涂料的，而要依赖于它们所含半导体粒子的光学性能。　　　半导体，光和氧化还原反应　　半导体是一种介于绝缘体和导体之间的电导材料，众所周知，电子学所说的的半导体材料如：硅、锗、镓、铟-----都是，但一般来说，氧化锌、氧化铝、硫化锌、溴化银、氧化钛和许多其它的无机化合物也都是半导体半导体有一个很小的能带隙，以致于通过热运动或光子碰撞使传导带部分充满电子。　　　依赖于能带隙之间的能量差，半导体中的由电子能够从价电子带轻易地激发到传导带：在半导体中，我们一般谈到的能带隙材料大约在3电子伏特。　　传导带中的电子是“自由电子”。当传导带有自由电子的时候，价带区会失去一个电子：价带创造出一个空穴。因为一个电子携带一个负电荷，一个空穴就必须带正电荷。自由电子被当作是化学还原剂，推论得出，空穴一定是化学氧化剂。　　这些意味着半导体中一个光子的碰撞，至少需要相当于这个半导体能带隙的能量，从化学的观点来看，此时是在发生氧化还原反应。　　半导体有一个能带隙，能量在0和4ev之间，这个能量不同波长的可见光子的能量相适应，下表给出了光的波长和半导体能带之间的关系。　　　　波长　　　　　颜色　　　　　电子伏特　　　　700nm　　　　红　　　　　　1.77　　　　600nm　　　　　黄　　　　　　2.07　　　　500nm　　　　　蓝　　　　　　　2.48　　　　400nm　　　　　紫　　　　　　　3.10　　我们现在来比较各种不同半导体能带隙的内能，下表汇编了几个例子：　　　　　　半导体材料　　　　能带　　　　　　TiO2　　　　　　　　　3.2　　　　　　Ge　　　　　　　　　　0.67　　　　　　ZnO　　　　　　　　　　3.2　　　　　　InP　　　　　　　　　　1.34　　　　　　ZnS　　　　　　　　　　3.6　　　　　　GaN　　　　　　　　　　3.37　　　　　　Fe2O3　　　　　　　　　2.8　　　　　　SiC　　　　　　　　　　3.1　　　　　　SrTiO3　　　　　　　　　3.2　　其它的半导体还包括Al2O3,AgBr,CdS,CaO,CuS…….　　因此，涂料生产中使用了的大量的半导体材料，这些材料具有一个能与光交互作用的能带宽度，但我们这时甚至并不谈论光谱增强的影响。　　到目前为止，我们集中在标题的两个词上，解释在光和半导体之间的一个基本的交互作用面导致的“化学”作用，亦即创造出自由电子和空穴的可能性。或者换句话说，这种可能性在一定环境下促使其内部的氧化还原。　　　纳米粒子　　“纳米粒子”是标题中的第三个重要的词。"Nano"是一个热门话题，但当细小的粒子被认定为纳米粒子的时候但却没有普遍一致的意见，让我们作个简单的说明：粒径在999nm的微粒是没有量子效应的非常大的纳米粒子，被称作微粒子会更好些。20-250nm的粒子被认定为“真正”的纳米粒子，而20-50nm范围的粒子就更是纳米粒子了，这在涂料中是很有用处的。真正小的微粒子具有明显的量子效应。　　在涂料的应用方面，半导体粒子最重要的特征之一是相对的比表面。原因是，一个简单的化学作用恰好在能经由这个表面导致光的作用。　　下表对这种差别给出了清晰的说明：　　　　　　直径　　　　总的原子数量级　　　　　表面的原子数量　　　　　　0.7　　　　　　　　　　10　　　　　　　　　　　　　8　　　　　　1.6　　　　　　　　　　100　　　　　　　　　　　　60　　　　　　3.4　　　　　　　　　　1000　　　　　　　　　　　400　　　　　　7.3　　　　　　　　　　10000　　　　　　　　　　　3000　　　　　　15　　　　　　　　　　100000　　　　　　　　　　10000　　　　　　34　　　　　　　　　　1000000　　　　　　　　　　50000　　　　　　73　　　　　　　　　　10000000　　　　　　　　　100000　　　　　　156　　　　　　　　　100000000　　　　　　　　　200000　　非常小的纳米粒子几乎是“纯表面”，这意味着一旦空穴和电子创造出来，它们马上能适应环境，这是纳米粒子粒径尺寸的一个重要特性，另外一个方面是，来自半导体的能带隙在表面变得更小。　　这意味着光的波长比常规的“bulk”半导体吸收波长更长，能在微粒子里创造电子和空穴。因此，对于涂料的得出的推论，可见光有Ｕ．Ｖ．光一样能使涂发生变质。　　　结论　　这里简单而清晰地介绍了半导体纳米粒子和光之间的交互作用，也为化学推论给出了最初的提示。这些推论会对涂料会产生很大的影响。　　例子：　　　避免涂料变质　　　自洁漆的开发　　　清洁空气涂料的开发　　　涂料变质的控制　　抗菌产品的开发　　ＵV固化　　…　　说到现象，如：发光涂料、，太阳能电池涂料，ＵＶ-固化涂料也是重要的。　　随后的文章从理论和实践的观点来解决这个主题所及的不同方面才是真正的目的。

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