半导体行业调研报告范文第1篇

互连材料是连接半导体晶体管和元器件的关键材料，起着导电和导热的作用，影响着元器件电路导通、功能实现和稳定性。由于第3代半导体器件工作环境较Si半导体更为恶劣，其器件封装和互连也较传统Si器件提出更高的要求。本文主要介绍可用于第3代半导体器件的互连材料。

一、第3代半导体材料

第3代半导体材料主要包括 SiC、GaN、氧化锌（ZnO）、金刚石、氮化铝（AlN），这些材料禁带宽度均>2.2ev，被称为宽禁带半导体材料，亦被称为高温半导体材料。目前，从第3代半导体材料和器件的研究进展来看，较为成熟的是SiC和GaN半导体材料，人们对ZnO、金刚石和AlN等宽禁带半导体材料的研究较少，尚属起步阶段。

表1列出了半导体材料的关键性能对比。可以看出SiC热传导率是传统的Si、GaAs半导体材料的3～13倍，使得SiC器件可以在高温下长时间稳定工作；SiC和GaN的临界击穿电场是传统半导体材料的4～20倍，且具有更大的载流子饱和速率，在高功率电子器件方面有着巨大的性能优势。

二、第3代半导体连接材料的重要性和要求

第3代半导体材料凭借其宽禁带、高热导率、高击穿电场、高抗辐射能力等特点，在未来高频、高温、高功率、高能效、耐恶劣环境以及轻便小型化电子产品中有着巨大的应用前景，给半导体产业和产品带来了又一次巨大革命。

由于第3代半导体器件工作环境较Si半导体更为恶劣，尤其对于在汽车、航天、钻井、雷达等中的高温、高功率应用，其工作温度大多在300℃以上，面对这样高温、高功率和可靠性的市场要求，对其器件互连材料也较传统Si器件提出更高的要求。对于第3代半导体器件，为了能够满足高温环境下高功率性能的稳定实现，互连材料应具有以下特点：具有良好的导热性；热膨胀系数与芯片背面金属层匹配；耐高温，在空气氛围300℃保持稳定。

三、连接材料

1.键合丝（键合引线）

键合丝是当前半導体功率器件使用最多的内封装连接材料，键合丝应具有以下特点：

①在大气或含有10%左右氢气的氮气流中键合丝的尖端加热熔融时，可形成无氧化膜的圆球，如图1所示[1]；

②采用超声波热压焊时，在键合丝外部引线之间都能良好接合；

③进行树脂封装时，相邻键合丝之间不发生粘连；

④长期保存时，键合丝与半导体电极以及键合丝与外部引线之间的连接不会发生劣化。

目前半导体连接材料中应用最广泛的是金丝、银丝、铝丝和铜丝。表2列出了这几种金属的性能特点[2]。

金丝是引线键合使用最多的连接材料，具有电导率大、耐腐蚀、韧性好等优点，广泛应用于用于晶体管集成电路大规模集成电路等各种半导体器件中作为内引线用于各种电子元器件的连接材料[3]。

键合银丝是近年来LED、IC行业内出现的替代传统键合金丝的产品。键合银丝的室温机械性能与键合金丝相当，在使用温度不是太高的领域（如LED封装、IC封装等）可以部分或全部取代键合金丝，降低生产成本。键合银丝一般采取多元掺杂合金，加入微量元素，减少金属化合物的形成，同时阻止了界面氧化物和裂纹的产生，降低了结合性能的退化，使结合性能和金丝一样稳定[3]。

键合铝丝虽然成本较低，易于成丝，但是存在以下问题：Al的熔点低，易氧化；拉伸强度和耐热性比金低、易出现塌丝现象；性能不稳定，延伸率波动大[2]。另外铝丝存在形球困难等问题，只能采用楔键合，主要应用于功率器件、微波器件和光电器件[4]。

键合铜丝具有比金丝高的导电和导热性能，可以用于制造对电流负载要求更高的功率器件，而且可以使高密度封装时的散热更为容易[5]。铜丝较强的抗拉强度可以使丝线直径变得更细，焊盘尺寸和焊盘艰巨也能相应减小，价格比贵金属键合丝材便宜很多，使得键合铜丝为目前替代传统键合丝的最佳材料。但Cu易氧化，通常对其进行表面处理，形成一层抗氧化性好的金属，如Au、钯（Pd）、镍（Ni）、铂（Pt）（等）[2]，使其具有优异的抗氧化性。

引线键合虽然是当前半导体封装的主要工艺，但对于较高密度的组装，带来引线缠绕、“塌线”、引线结合点热循环疲劳可靠性降低问题一直是困扰引线键合工艺的难题。而对于第3代半导体元器件，更高密度的封装、更高的运行频率及热循环，未来将会是对该工艺的挑战和待解决的问题。

2.钎料

钎料是微电子互连材料中最常用的互连材料，表3列出了一些被广泛使用的电子芯片互连钎料及其物理性能。由于环保的要求，现在正在从含铅钎料向无铅钎料进行转变，锡（Sn）-Ag，Sn-Ag-Cu等合金无铅钎料是封装领域最常用的材料，但这些Sn基无铅钎料大多熔点低于300℃，不能够满足第3代半导体元器件高温环境下使用。Au-Sn具有较高的熔点，良好的蠕变特性和防腐蚀性能，然而高温会加剧Au-Sn形成较脆的合金化合物，从而造成可靠性的降低，器件失效，并且其成本问题也是其广泛使用的一个障碍。

当前为了能够满足半导体元器件二次回流，半导体元器件封装用连接材料通常

使用高熔点的高铅钎料，如Pb92.5Sn5Ag2.5、Pb88Sn10Ag2。该类钎料除了熔点较高之外，材质比较柔软，可以释放芯片由于热胀冷缩造成的应力，而不至于将芯片拉碎，因此为芯片封装领域较理想的连接材料。虽然无铅进程已经导入十余年了，但由于没有理想的高温无铅钎料，高铅高温钎料依然是豁免产品，对无铅高温钎料的开发依然是当前业内的一个难点。目前市场上仅有少数龙头单位有关于高温无铅钎料的应用报道，但仍然未能形成统一的认识。如美国铟泰有关于BiAgX系钎料和以预成型焊片的形态，在一些特殊场合使用的宣传报道；北京康普锡威科技有限公司有关于Sn-Sb-X[6]和复合焊料[7-8]等系列无铅高温钎料的报道。但真正在半导体元器件封装互连中大规模使用还需要一定的路要走，开发熔点较高（>260℃或>280℃）、材质柔软（减少由于热胀冷缩对芯片的应力）的无铅高温钎料，依然是当前业内努力的方向。

3.纳米膏

烧结技术通过高温使材料表面原子互相扩散，从而形成致密晶体的过程，是20世纪90年代初Schwarzbauer等人[9]基于烧结理论发明的一种连接方法，被称之为低温烧结技术（LTJT）。通常通过减小烧结颗粒的尺寸，可降低烧结温度。

纳米银粉由于其独特的纳米特性，为半导体芯片的封装提供了另一个崭新的思路。银的熔点是961℃，而当颗粒尺寸到纳米级别，其熔点会显著降低，至100℃左右，因此可通过低温烧结实现电子产品或芯片的互聯，而烧结后的烧结层熔点又恢复到银的常规熔点，可满足电子产品在高温下正常使用，并且银具有优异的导热导电性和良好的化学稳定性，是第3代半导体封装最具应用前景的互连材料。

近些年，国内外研究人员展开了对银纳米膏的制备、烧结工艺及导电导热性能进行了大量分析评估。Moon[10]等的研究发现，20nm银粒子在150℃即可表现出明显的烧结行为，300℃下烧结可得到多孔优质银膜。Akada[11]等对烧结温度和烧结气氛对烧结接头强度的影响做了研究。在国内，天津大学最早开展了银纳米膏低温烧结技术的研究。并发明了一种新型低温烧结纳米银

技术[12，13]，实现了多种具有双面散热能力的无引线封装工[14]。清华大学闫剑锋等人[15]对银纳米膏的烧结性能进行了研究，表明200℃条件下烧结300℃，银烧结层为联通多孔结构，高于250℃时银颗粒出现明显的长大现象，如图2[15]所示。天津大学杨呈祥[16]等人开展了银纳米膏在大功率模块的性能研究，与SnAg3.0Cu0.5和导电胶2种连接材料进行对比，结果表明银纳米膏封装的大功率LED模块光电性能优异，且具有较强的长期可靠性。

铜纳米膏由于其优良的导电导热性能和较低的成本也受到了广泛关注，然而由于铜容易在空气中被氧化，若想将纳米铜颗粒用于半导体功率器件互连中，面临一系列技术上的挑战。仅有美国Lockheed Martin公司[17]，英国Intrinsiq公司开发出了具有有机物包覆层的纳米铜导电膏体。新加坡南阳理工大学C.S.Tan课题组[18，19]使用美国Lockheed Martin公司的纳米铜膏进行低温烧结的研究，通过表面去氧化处理，掺杂微米铜颗粒等方法提高烧结结果。清华大学张颖川等人[20]研究了银铜混合纳米膏的烧结特性，结果表明，制得的纳米银+纳米铜混合焊膏具有良好的防氧化特性。

纳米膏由于可以实现低温烧结高温使用，为第3代半导体连接材料提供了一个崭新的思路，但在产业化和大规模使用上还有很长的路要走，比如烧结焊层的孔隙率、与基材之间的结合强度、载体残留等问题还需亟待解决。

四、展望

第3代半导体材料由于具有非常显著的性能优势和巨大的产业带动作用，受到了世界各国的高度重视，欧美日等发达国家和地区都把发展第3代半导体技术列入国家战略。我国也将第3代半导体产业纳入战略发展的重要产业，2013年科技部在“国家高技术研究发展计划（863计划）新材料技术领域项目征集指南中，也特别指出了要将第3代半导体材料及应用列入重要研究内容。2015年，建立了第3代半导体产业技术创新战略联盟（CASA）的成立，为我国第3代半导体的发展建立了研发和交流平台，对推动我国第3代半导体材料及器件研发和相关产业发展具有重要意义。

互连材料是连接半导体晶体管和元器件的关键材料，起着导电和导热的作用，影响着元器件电路导通、功能实现和稳定性。第3代半导体器件高温、高功率和可靠性的特点和市场要求，对其器件互连材料也提出了更高的要求。

参考文献

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半导体行业调研报告范文第2篇

摘 要：塑料封装是功率半导体器件主要的封装形式，但塑料封装的非气密性会带来潜在的可靠性问题，封装分层就是其中最常见的一种失效模式。封装分层一般是在水汽和热应力的协同作用下发生的，工作温度很高的功率器件极易发生分层。封装分层会导致键合引线脱落、芯片表面金属层或钝化层损伤、爆米花效应、金属的腐蚀，使塑封器件的性能极大降低甚至失效。功率器件的广泛应用对封装可靠性提出了更高的要求。本文主要对塑封功率器件分层进行解释，研究封装分层的具体机制，并提出工艺改进方案。

关键词：半导体功率电子器件；塑料封装；分层；粘接强度

Discussion on Delamination and Reliability Analysis of

Plastic-sealed Power Devices

YANG Jun

（China Zhenhua Group Yongguang Electronics Co.，Ltd.（State-owned 873），Guiyang

Guizhou 550018）

塑封器件受封裝材料和本身特性的限制，采用环氧树脂塑封料进行封装。塑封器件是非气密性封装，在封装方面就存在一些缺点，最主要的缺点就是对潮气比较敏感。湿气的侵入，会使电子封装中产生一些可靠性问题，特别是分层现象。对处于较高温度工作的塑封半导体功率电子器件来说，分层现象会更加严重。相较于塑封器件，在使用或是在可靠性试验时，分层相对于常温贮存的普通塑封器件更容易产生，且在较高的温度下，扩展和蔓延在分层现象中更容易形成，进而造成器件失效。

因此，面对湿和热时，塑封半导体功率电子器件会愈加敏感，受湿气影响，分层会给器件可靠性带来更大危害。界面分层的形成相对于塑封料与其他材料间的成因有多种，如受污染的注件表面，不良注塑工艺条件的存在，因失配的热膨胀系数而引起的剪切应力，水汽侵入及热应力形成的爆米花效应等[1]。

1 塑料器件失效模式及原因分析

1.1 塑料器件失效模式

从失效模式来说，早期失效和使用期失效是主要模式。

1.1.1 塑封早期失效。早期失效多是由封装工艺的不完善造成的，主要发生在芯片焊接、引线键合和模塑料注塑等封装工艺过程中，主要表现形式有以下4方面。①芯片上的焊接或粘接缺陷，如烧焊空洞、芯片位置偏移、同心度差、溢出焊盘的焊料导致短路、不牢固的焊接芯片和较弱的剪切强度等。②引线键合上的缺陷，如键合点的脱落、偏移、弹坑；线尾过长引、线间短路、引线形状异常等。③塑封料因流动性问题而形成的注塑缺陷，如冲丝导致的金线间短路或金丝断裂；塑封料层空洞、气孔或填充不完全；基板移动等。④热胀冷缩的收缩应力在塑封料固化中形成的封装缺陷，如损伤或断裂的引线、焊球或焊点；受损伤的芯片钝化层或表面金属化；焊接或粘接界面分层等。

1.1.2 塑封器件使用期失效。使用期失效是发生在器件服役过程中的失效。使用期失效机制可以分为因材料热膨胀系数差异所导致的热应力破坏与湿气渗透所导致的破坏2大类。

国外产品工作结温大多都能达到150℃，甚至更高，而在国内，产品工作结温只能勉强达到150℃，且受湿热的影响，产品可靠性极易出现较大的退化。使用期失效的主要表现形式有以下两种[2]。

1.1.2.1 热应力破坏。在温度循环及高温下，因热膨胀系数在塑封料、芯片和引线框架材料间存有一定差异，封装后，应力集中生成在器件体内局部。当热应力水平超过塑封材料的机械或断裂强度时，极易造成器件失效。一般情况下，环氧树脂玻璃的转变温度（Tg）较低，多在150℃以下。处于此温度范围，环氧树脂材料的热膨胀系数接近或超过环氧树脂的Tg，器件在较强的热应力作用下极易失效。最常见的失效现象即塑封分层，塑封料、芯片和引线框架的粘接面受热应力影响而造成剥离或分离的产生，这会导致水汽渗透加剧，甚至会使芯片表面金属化层或钝化层的损坏；在某些因散热不当芯片表面局部高温甚至会使塑封料碳化，造成金属条间短路；长期处在工作状态中的器件，尤其是高低温反复循环应力状态下，还可能会发生焊料的疲劳失效等。

1.1.2.2 湿气破坏。湿气可以通过粘接界面或环氧树脂本身渗透进入封装体内部。这里所说的“湿气”可能以单一的蒸汽状态存在，也可能以气、液混合状态存在。在实际工作中，“受潮”是诸多类型失效的根源所在。若湿气带有较多离子，就很容易造成芯片表面或引线框架被腐蚀，从而导致器件电性能的退化。附着有腐蚀效应的离子会促进粘接或焊接面上环氧树脂的加速离解，进而让湿气更容易渗透到塑料封装体的内部。此外，处于回流焊过程中的塑封器件，附着在封装外壳中的水分会快速汽化，造成塑封料膨胀，导致分层剥离和开裂现象，俗称“爆米花”现象[3]。

1.2 原因分析

从材料及工艺手段来说，塑料器件失效的原因主要包括以下5方面。

①材料易吸潮。塑封材料吸潮后会影响参数性能及可靠性，且器件封装前的潮气也会影响产品可靠性，因此，温度类筛选及试验考核是非常必要的。

②材料匹配问题。塑料封装的热膨胀系数过大，封装以后及后续产生内应力会导致发生分层。推荐机械应力筛选、热性能筛选及考核。

③塑封料的粘接性差。由于塑封料的粘接性差，导致粘接强度变差，后续工作易分层。推荐机械应力筛选、热性能筛选及考核。

④预处理不到位。引线框架和芯片未经彻底清洗，易有大量残留物质，这会降低粘接强度，导致分层。

⑤塑料固化时间短。塑封厂家缩短塑料的固化时间，导致粘接强度差，在进行后续工作时，芯片容易分层。

2 代表塑封半导体功率电子器件封装结构对分层的影响

以TO-252封装产品为例，主要的结构材料为芯片、环氧塑封料、引线框架和键合丝等。在封装过程中，产品分层多存在于不同界面的交接位置。在单一材质表面，其分层概率较低，产品封装质量一致性较高；环氧塑封料与铜基板、芯片表面的粘接均存在一个过渡层（边界层），该层内的塑封料与其他部位的塑封料相比性质发生了变化，而粘接过渡层往往是粘接界面的薄弱部位，分层裂纹容易在其中萌生及扩展。图1为封装时出现的产品分层（阴影区域SAM测试产品内部界面分层）。

应力集中和粘接缺陷处是分层裂纹产生的主要位置。正常工艺状况下的无分层样品粘接面上（Cu-EMC）已经存在微裂纹，这是分层裂纹扩展的“源”。当存在分层裂纹扩展的“源”的产品处于湿热应力作用下时，其分层面积扩展速度高于无分层裂纹扩展的“源”的产品，试验图见图2和图3。

对产品内部结构中主要的不同界面之间（框架与环氧塑封料和芯片与环氧塑封料）的粘接强度进行分析。在施加一个较强热应力后，对产品内部分层情况进行分析，试验结果见图4。芯片表面铝层与环氧塑封料的粘接效果非常好，远高于环氧塑封料与铜基板之间的粘接强度。提升铜框架与环氧塑封料之间的粘接强度，是提升产品可靠性的有效途径[4]。

3 铜框架特性

由于功率器件封装具有大电流、高功率的特点，功率器件的封装对引线框架材料提出了更高的要求。在实际生产中，采用中强高导型的Cu-Fe-P合金，该系列合金抗拉强度为362～568MPa，电导率在55%～65%CAS，其主要特性优势包括高导电性、高导热性、良好的热匹配、良好的耐热性和抗氧化性。

4 封装工艺改进研究

通常使用粘接强度作为评价胶黏剂性能的指标。对于EMC与铜合金的胶接接头，粘接强度一般采用EMC在铜合金上的剪切强度来表征。粘接的强度取决于许多因素，如胶黏剂的选择、被粘接材料表面处理方法、粘接操作工艺和固化工艺等。主要影响因素包括以下几方面。

4.1 表面浸润性与粗糙度

当胶黏剂良好地浸润被粘材料表面时，表面的粗糙化有利于提高胶黏剂液体对表面的浸润程度，增加胶黏剂与被粘材料的接触点密度，从而有利于提高粘接强度。

4.2 表面处理或改性

粘接前的表面处理或改性是粘接成功的关键，其目的是获得高粘接强度及提高粘接面的抗介质腐蚀能力。在实际应用中，对被粘物表面进行表面处理或改性是普遍采用的措施。等离子清洗技术是现在最优秀、最有效的表面处理和改性技术，能对铜合金表面进行适当的氧化处理，提高表面的微观粗糙度，降低表面的接触角，增进EMC与铜合金表面的共价键键合，对于粘接是有利的。

4.3 压力的施加

在粘接时，向粘接面施以压力，使胶黏剂更容易充满被粘体表面上的坑洞，甚至流入深孔和毛细管中，减少粘接缺陷。对于黏度较小的胶黏剂，加压时会过度地流淌，造成缺胶。因此，应在黏度较大时再施加压力，也促使被粘体表面上的气体逸出，减少粘接区的气孔。对于较稠的或固体的胶黏剂，在粘接时施加压力是必不可少的手段。在这种情况下，常常需要适当地升高温度，以降低胶黏剂的稠度或使胶黏剂液化。为了获得较高的粘接强度，对不同的胶黏剂应考虑施以不同的压力。一般对固体或高黏度的胶黏剂施加较高的压力，而对低黏度的胶黏剂施加较低的压力。

4.4 内应力

内应力是影响塑封粘接强度和耐久性的重要因素。在塑料固化阶段中，粘接剂因收缩的塑封体积，而造成了收缩应力。使得其中的树脂在固化过程中普遍伴随着体积的收缩。聚合反应中的体积收缩率分布在一个较大的范围内，缩聚反应和加聚反应的体积收缩率比较大，开环聚合时的体积收缩较小，体积收缩率比较低，发生在环氧树脂固化过程中，这是其在电子封装中被广泛应用的原因之一。降低固化过程中的体积收缩率对热固性树脂的应用有十分重要的意义。降低收缩率通常可以采取下列办法：①降低反应体系中官能团的浓度；②加入高分子聚合物来增韧；③加入无机填料。

5 结论

本文对TO-252封装形式的功率器件的分层现象进行了失效分析，比较了铜基板表面分层与芯片表面分层的异同，分析分层发生位置及扩展机制。从表面粗糙度、浸润性、热匹配性和抗氧化性等多个角度分析铜材框架性能，并从粘接理论的角度进行了相关解释，提出了工艺改进方向。主要结论如下。

①EMC与铜基板、芯片表面的粘接均存在一个边界层，弱边界层的产生对粘接强度有较大的削弱作用。

②分层裂纹主要发生在应力集中及粘接缺陷处，在湿热应力作用下发生扩展。

③铜材合金框架在功率器件上使用存在性能优势。

④对封装工艺进行分析，指出封装质量可靠性提升方向。

鉴于塑料封装形式多样化，除了类似TO-252的小封装外，TO-220、TO-247和SOT-227B等大封裝，甚至是模块化的塑料封装形式也越来越多，如何改善塑封器件的结构弱点，也将成为今后研究的重点。

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半导体行业调研报告范文第3篇

【西安工程大学排名】西安工程大学特色专业-西安工程大学录取分数

线

西安工程大学是一所以纺织服装为特色的高等学校。其前身为1912年创办的北京高等工业专门学校机织科。1978年成立西北纺织工学院，隶属原纺织工业部。2006年2月，经教育部批准更名为西安工程大学。学校办学历史悠久，历经近百年的发展，已成为一所以工为主，纺织服装为特色，工、理、文、管、经、法、教等多科性特色鲜明的高校。学校现有金花、临潼两个校区。设有15个教学单位。各类在校学生2万余人。现有教职工1701人，有中国工程院院士和大批专家、学者、教授组成的教学、科研队伍。学校现有本科专业54个，其中国家级特色专业建设点4个，省级特色专业建设点7个。学校是国务院学位委员会首批批准的学士、硕士学位授权单位，现有联合培养博士点1个，一级学科硕士学位授

权点10个，49个二级学科硕士点，工程硕士专业领域11个，省级重点学科2个。

半导体行业调研报告范文第4篇

摘要：介绍了一则国外对探究性实验与学生能力发展之间关系的研究案例，分析了国外科学教育研究中常见的实证研究过程、数据处理和研究特点。

关键词：实证研究；实验探究；学生思维

课程改革带来了教材、教法的一系列变化，现在的化学教材更加注意学材化，课堂教学更关注探究性，探究性实验和探究性教学也成为现代教育教学中耳熟能详的词了。然而，课堂教学中先让学生思考要研究的问题，然后再分组实验，观察实验现象，进而提出假设、解释以及需要进一步研究的问题，这样一种用实验探究来引导化学学习的方式是否有其根据？与验证性实验相比，探究性实验是否更有利于学生能力的培养？又能够培养学生怎样的能力？对于这些问题，教师有着怎样的思考与认识呢？

笔者在中国基础教育全文数据库中以“探究实验”为检索词，以“题名、关键词和摘要”为检索项，共搜索到28414篇文献。选择高中学段不同学科教师的16篇文章作为研究对象进行分析，发现这些文章更多重视的是探究性教学的案例分析。文章往往首先分析自己的教学案例，一般介绍了课堂教学中探究性实验设计、教师的引导思维的问题设计、学生在探究过程中生成性的问题以及处理方法和结果、师生间对于实验的进一步交流与讨论。在案例分析的基础上，文章往往指出探究性实验激发了学生的“学习兴趣和求知欲”，培养了学生的“实践能力”与“创新精神”，提高了学生“分析问题和解决问题的能力”，有助于学生初步形成“科学的态度和价值观”。

这些研究从教师在课堂教学实际出发进行研究，将自己积累的教学知识、智慧形成了直觉化的观念，非常值得肯定。然而，认真思考也会发现，这些研究往往主观性较强，研究结论的得出缺乏明确有力的证据链条与实证支撑，未能揭示出探究性实验教学与学生能力发展之间最直接明了的因果关系。因此，进一步运用客观的研究方法来检验探究性实验对于学生学习以及能力发展的作用，将实证研究与教学事实、教学常识和教育原则相联系[1]，这应该成为目前国内科学教育研究值得关注的问题。

他山之石，可以攻玉。以色列教育者的研究“通过化学探究性实验发展学生提出更多更有价值的问题的能力”（Developing Students’Ability to Ask More and Better Questions Resulting from Inquiry-Type Chemistry Laboratories）[2]，为上述问题提供了一个有力的证据和结果。研究者选择平行班级建立实验班和对照班，用了两年时间开展实验，测量实验结果，并分析得出其研究结论。

1 研究的過程

研究者希望研究探究性实验与学生能力发展之间的关系，他们首先针对“在实验室和从实验室中学习”（Learning in and from Science Laboratories）这样一个主题查阅了大量的文献资料，重点分析了两个层面的内容：实验教学如何促进学生的能力发展，学生针对科学现象提出问题的能力。在此基础上，研究者确定了两个具体的研究目标，一是研究高中学生是否能够通过化学探究性实验发展了提出问题尤其是探究性问题的能力；二是研究高中化学实验教学中形成的提出问题的能力能否迁移至其他学习情境中。

然后，研究者分析了11到12年级化学课程中的实验，通过对一个具体实验的两种不同方案的比较，指出常规的“菜单式”实验与探究性实验在实施过程中的差异，概括出了探究性实验经历的一般步骤。接下来研究者确定研究对象为12年级（年龄为17～18岁）的六个班级的高中学生，其中实验班共55人，对照班共56人。研究过程中两班学生使用同样的化学教科书，完成同样的教学内容，只是完成实验的方式不同。研究的过程如图1所示。

在实施研究的过程中，实验班以探究性实验展开学习，实验过程较开放，学生经历了产生问题、提出假设、选择问题开始探究、设计实验、动手操作、观察分析和得出结论整个实验研究的过程。对照班则在教学任务完成后到实验室完成验证性实验，实验是根据给定的步骤完成，提供的探究机会很少，实验的开放性不强。除了完成化学实验的方式不同，两个班学生其他学习条件如教师的专业水平、学生实验学习情况的定期评估以及实验时间与实验设备等都基本相同。两年来，两班学生分别以不同方式完成了15个化学实验。在学生参加的化学测试中，实验班与对照班的成绩基本相同，无显著差异。所以研究表明，探究性实验并没有增加学生的学业成绩。

接下来，研究者开发了实践性测试和批判性阅读这两种测量工具，用以比较两班学生在新实验情境中和批判性阅读科普文章时的科学思维水平以及提出更多更好问题的能力。在实践性测试中，研究者给两班学生一个相同的新实验情境，让其完成一个虽简单但陌生的实验，然后根据观察到的实验现象提出若干问题，以评估学生在平时探究性实验教学过程中培养出的能力。在批判性阅读测试中，研究者让两班学生阅读介绍化学前沿知识的文献，然后提出若干问题并要求学生根据文献加以回答，以评估学生在平时的探究性实验中所培养的能力的迁移效果。

对于探究性实验与学生能力发展之间的关系，普通的纸笔测试无法测量。研究的关键在于测量工具的开发与使用，下面对其进行重点分析。

2 测量工具

根据文献研究，研究者认为，探究性实验能够发展学生提出问题的能力，这种能力既体现在提出问题的数量上，也体现在提出问题的质量上；同时，学习者从探究性实验学习中发展而来的能力能够迁移至其他的学习环境中。为此，研究者开发了实践性测试与批判性阅读两个测量工具。

2.1 实践性测试

实践性测试要求学生将两种未知粉末（柠檬酸若干和小苏打10 g）放于塑料袋中，混合两种固体。再向小试管中加入10 mL水，也将其放入塑料袋中（不能使固体与水接触）。然后在塑料袋中插入温度计，扎紧袋口，倒置试管，使水与固体混合。实验由3人合作完成，在实验过程中学生观察到袋子鼓起，混合后体系的温度降低。研究者要求学生观察并记录这些现象，并根据记录做出自己的分析和假设。实验结束后每个学生独立完成一份问卷，根据实验现象提出自己的问题，对可能的原因进行假设与猜想，最后选出一个自己认为最值得研究的问题。下面是学生需要完成的问卷：

实验过程中记录你所观察到的现象。完成实验后，回答下列问题：

（1）做完实验后，你产生了哪些问题？

（2）选择一个问题帮助你继续探究。

（3）你为什么选择了这个问题？

（4）你认为该问题的答案可能是什么？

（5）设计一个实验来证明你的假设是正确的，将每个实验步骤写清楚。

2.2 批判性閱读

在批判性阅读测试中，研究者选择了一篇与应用技术相关的化学边缘领域的文献，然后按照高中学生的阅读能力和化学知识背景进行简化。研究者认为学生对这样的文章较感兴趣，愿意阅读并配合实验，能够增加测试结果的信度。在学生阅读完毕后需要回答八个问题，而其中实际有效并最终统计的只是最后两个问题，这样学生并不清楚研究者的意图，避免其在答题时更多考虑教师可能预期的结果，增加了研究的可信度。研究者选择并改写后的文献如下：

一氧化氮分子既出现于神经系统，又能够防止感染、调节血压，还是控制血液流向不同器官的“门卫”。人的一生中体内都存在一氧化氮，但其存在寿命极短，仅有几秒钟。因而，在低浓度下直接监测一氧化氮非常困难。科学家发明了一种新的电子传感器，用于在室温下监测生物体内的一氧化氮。它的工作程序是这样的：监测器的表面涂有某种有机物，该有机物与半导体材料镓砷合金相连，当一氧化氮附着于监测器的表面时，有机物与一氧化氮结合，使合金表面产生变化，引起半导体材料中电流的变化，从而被监测器感知。

……

（1）根据文中描述，说明什么是电阻器，什么是半导体。

（2）概括出文章的主要内容。

（3）研究者通过测量哪个物理量完成对一氧化氮的监测？

（4）若将一氧化氮通入溶液，图像会发生什么变化？

（5）图中何处表示实验的结果？

（6）文中哪些科学概念是你不熟悉的？

（7）写出你读完文章所产生的所有疑问。

（8）在上述你列举的问题中，如果让你进一步展开研究，你最想研究的是哪一个？

3 数据处理和结论

研究者对实践性测试和批判性阅读的结果进行统计与分析，采用了定量分析和定性分析的方法。定量分析是统计每个学生提出问题的数目，以及在这些问题中属于高水平层次的有多少，低水平层次的有多少。而定性分析则研究学生选择用以进一步探究的问题的层次性。对学生所提出的问题所属层次性的评估，是由四位教育专家及经验丰富的教师组成专家组进行。少数问题专家组无法达成共识究竟属于哪一层次，则不计入统计数据。研究者用列表法和图示法表示其数据统计结果。

3.1 实践性测试的结果与分析

实践性测试中研究者发现，在低层次问题的数量上，两班学生无明显差别；而在高层次问题上，两班学生的差别则极为显著。实验班共提出了123个高层次问题，而对照班仅提出了18个。高层次问题上的差异证明了研究假设，在分析低层次问题数量无明显差异的原因时，研究者认为可能是由于问卷要求学生列举出脑中出现的所有问题。

对于“提出准备进一步探究的问题”的分析发现，两班学生的差别也非常显著。对照班学生中有相当数量的学生没有回答，即使做出回答，答案中也有很多是不适合进一步探究的低层次问题。例如：袋子为什么会鼓起来？白色固体是什么？而实验班学生往往能够选择具有一两个变量值得深入探究的问题。例如：两种固体的用量对最终温度的变化有何影响？用其他液体代替水进行实验会产生怎样的效果？

研究者同时还发现，两班学生对待任务的态度也有较大差异。实验班的学生花费了更多的精力和时间，几乎所有学生填写了所有项目。相比之下，在“进一步探究的问题”、“提出假设”和“设计新的实验”这些问题上，对照班中有一些学生没有填写。

3.2 批判性阅读的结果与分析

在批判性阅读测试中，针对“写出你读完文章所产生的所有疑问”这一要求，实验班共提出196个问题。研究者对这些问题进行分类后发现，共有117种不同的问题。在这117种问题中，又有88.3%属于高层次问题。例如：在其他温度下该实验效果如何？该装置能否用以测量高浓度的一氧化氮？如何才能使装置进入到人体内？该装置能否用来监测其他气体？相比之下，对照班共提出了27个问题，研究者对这些问题进行分类，发现共有23种不同问题，其中64%为低层次问题，例如：该装置是监测什么气体的？电流是如何被记录下来的？

因此，在批判性阅读测试中，两班学生在提出问题的数量与质量上也表现出了显著差异，实验班提出的问题数量和质量均优于对照班。

3.3 研究结论

根据对实验统计数据的分析，研究者得出结论：探究性实验发展了学生研究问题的能力和习惯，锻炼和提高了学生的思维与实践能力，这些能力能够迁移至其他学习环境中。研究者认为，出现这种差异的原因在于，实验班平时经历了探究性实验过程，从而学会了科学研究的一般思路与方法。

4 启发与反思

探究性学习与探究性实验是现今教育领域耳熟能详的词语，无论是教育专家还是一线教师，都认为探究性实验更能培养学生的能力，都提倡教师应该用探究的方式在课堂上呈现化学知识，学生也应该用探究的方式学习化学内容。然而，探究性学习究竟发展了学生怎样的能力？学生的科学研究能力是否通过探究性实验得到提高？要研究这样的问题并不容易。纵观该研究的整个过程，研究者在文献综述的基础上提出研究假设，将学生思维能力具体化为“提出更多更有价值的问题”，将学生的科学研究能力定量化，成为可以用来统计与分析的结果。设计并开发出恰当的测量工具，对实验结果进行定性和定量的分析，通过实证研究探讨了一个具体的教育教学问题。

实证的意识、规范的思路、科学的方法，这个研究给了广大教师很好的启示。教育教学理论的证实与丰富需要实证研究的支撑，希望更多教师在自己的教育教学实践研究中学习与借鉴这样的研究方法，用实验和数据为各种有效教学的原则以及具体的教学方案和教学实践提供更加有力的证据。

参考文献：

[1][美]罗伯特·斯莱文著.姚梅林等译.教育心理学 理论与实践[M].北京：人民邮电出版社，2004：10.

[2] Avi Hofstein， Oshrit Navon， Mira Kipnis， Rachel MamlokNaaman. Developing Students’ Ability to Ask More and Better Questions Resulting from Inquiry-Type Chemistry Laboratories [J]. Journal of Research In Science Teaching，2005，VOL.42，（NO.7）：791～806.

半导体行业调研报告范文第5篇

1 异质结器件的发展过程

pn结是组成集成电路的主要细胞, 50年代pn结晶体管的发明及其后的发展奠定了现代电子技术和信息革命的基础。

1947年12月, 肖克莱、巴丁和布拉顿三人发明点接触晶体管。1956年三人因为发明晶体管对科学所做的杰出贡献, 共同获得了科学技术界的最高荣誉诺贝尔物理学奖。

1949年肖克莱提出pn结理论, 以此研究pn结的物理性质和晶体管的放大作用, 这就是著名的晶体管放大效应。由于技术条件的限制, 当时未能制成pn结型晶体管, 直到1950年才试制出第一个pn结型晶体管。这种晶体管成功地克服了点接触型晶体管不稳定、噪声大、信号放大倍数小的缺点。

1957年, 克罗默指出有导电类型相反的两种半导体材料制成异质结, 比同质结具有更高的注入效率。

1962年, Anderson提出了异质结的理论模型, 他理想的假定两种半导体材料具有相同的晶体结构, 晶格常数和热膨胀系数, 基本说明了电流输运过程。

1968年美国的贝尔实验室和苏联的约飞研究所都宣布做成了双异质结激光器。

在20世纪70年代里, 液向外延 (LPE) , 汽相外延 (VPE) , 金属有机化学气相沉积 (MO-CVD) 和分子束外延 (MBE) 等先进的材料成长方法相继出现, 使异质结的生长日趋完善。

2 异质结结构的物理性质

2.1 异质结的结构特征及其原理

在pn结之间有一很薄的半导体材料, 它与pn结的半导体材料相异, 这种结构称为异质结。中间一层半导体形成了一个有源区或层, 它与P型或N型半导体材料相比, 其禁带宽度较小, 而折射率较高。小的禁带宽度有利于将注入到有源区的少数载流子 (来自N型半导体的电子和P型半导体的空穴) 限制在有源区内, 高的折射率使这种结构构成了一个电介质波导, 在放大时有利于将光限制在有源区内。下面以典型的GaAlAs双异质结LED为例说明其结构特征。

双异质结生长在二极管顶部的N-GaAs衬底上, 如图1所示, P-GaAs有源层厚度仅为1μm~2μm, 与其两边的N-GaAlAs和P-GaAlAs构成两个异质结, 限制了有源层中的载流子及光场分布。有源层中产生的光发射穿过衬底耦合入光纤, 由于衬底材料的光吸收很大, 用选择腐蚀的办法在正对有源区的部位形成一个凹坑使光纤能直接靠近有源区。在P-GaAs一侧用SiO2掩膜技术形成一个圆形的接触电极, 从而限定了有源层中有源区的面积, 其大小与光纤纤芯面积相当 (直径为40μm~5 0μm) 。流过有源区的电流密度约为2000A/cm2。这种圆形发光面发出的光辐射具有朗伯分布。

由于限制层的带隙比有源层宽, 施加正向偏压后, P层的空穴和N层的电子注入有源层。P层带隙宽, 导带的能态比有源层高, 对注入电子形成了势垒, 注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理, 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。

P层带隙宽, 导带的能态比有源层高, 对注入电子形成了势垒, 注入到有源层的电子不可能扩散到P层。同理, 注入到有源层的空穴也不可能扩散到N层。这样, 注入到有源层的电子和空穴被限制在厚0.1μm~0.3μm的有源层内形成粒子数反转分布这时只要很小的外加电流, 就可以使电子和空穴浓度增大而提高效益。另一方面, 如果有源层的折射率比限制层高, 就能产生激光, 并且产生的激光被限制在有源区内因而电/光转换效率很高, 输出激光的阈值电流很低, 很小的散热体就可以在室温连续工作。

2.2 想突变反型异质结的物理性质

在零偏压下, 接触界面上的费米能级要相等, 发生载流子扩散运动, 界面附近留下一个空间电荷区 (耗尽区或者势垒区) 。在热平衡下, 即载流子的扩散运动和漂移运动达到平衡时, 产生了一个内建电场, 电势差满足:q VD=EF2-EF1;

势场分布为:VD1÷VC2=ε1NA/ε2ND;

势垒电容为:

平衡时能带的两个特点如下。

(1) 能带发生了弯曲, 出现了尖峰和凹口。

3 当前的一些研究进展

3.1 目前异质结制备的一些常用方法

目前异质结制备的一些常用方法有分子束外延技术、MO-CVD技术、液相外延技术、化学池沉积技术、物理气相沉积法、辅助化学法和sol-gel技术。

以液相外延技术为例, 液相外延技术 (Liquid Phase Epitaxy) , 简称LPE, 1963年由Nelson等人提出, 其原理是:以低熔点的金属为溶剂, 以待生长材料和掺杂剂为溶质, 使溶质在溶剂中呈饱和或过饱和状态通过降温冷却使石墨舟中的溶质从溶剂中析出, 在单晶衬底上定向生长一层晶体结构和晶格常数与单晶衬底足够相似的晶体材料, 使晶体结构得以延续, 实现晶体的外延生长。这种技术可以生长Si、GaAs、GaAlAs、GaP等半导体材料以及石榴石等磁性材料的单晶层, 用以做成各种光电子器件、微波器件、磁泡器件和半导体激光器等。

3.2 目前的一些研究对象

3.2.1 制备电子器件

制备开关器件、整流器件 (SiC基异质材料) 、场效应晶体管、异质结双极晶体管 (H BT) (主要应用材料为G aA s、Al Ga As、GaInP, InGaAs、InP、InAlAs, Si、SiGe等) 和HEMT (High electron mobility transistor) 。

3.2.2 制备发光二极管

制备异质结发光二极管 (异质结构为CdTe、PS, ZnS、ps等) , 制备新型的发光设备取代传统光源 (白光LED是继白炽灯和日光灯之后的第三代电光源) , 主要集中在GaN基pn结研究上, 例如AlGaInN、GaN。

3.2.3 GaAs或InP基半导体激光器

Ga As或InP基半导体激光器, 这主要用于通信技术。在1.25μm~1.65μm范围内, 现在主要的异质结激光器是Ga In As Por AlGaInAs、InP, 而对于GaInNAs、GaAs, 发射频率已做到1.52μm, 用改进的GaInNAsSb、GaAs异质结激光器发射频率达到1.49μm, 发射功率为0.2mA/μm2。

3.2.4 制备太阳能电池

制备太阳能电池, 例如ZnO/n-Si, ps/c-Si等。

4 结语

目前, 半导体物理、半导体材料以及半导体器件的任何新发展, 诸如利用硒化物和氮化物制成的蓝、绿光短波长发射源都取得重大进展和可喜成果, 异质结的概念和生长技术都起到重要作用。可以预期, 异质结构及作为其延伸的量子阱、量子线和量子点的发展提供了一种合成新材料异质结半导体技术, 在未来的半导体物理、固体物理以至整个世界科技的发展中, 都会发挥越来越大的作用。

摘要：本文介绍了有关半导体异质结的技术及其研究进展, 首先简要介绍了异质结器件的历史发展过程, 其次以典型的GaAlAs双异质结LED中的异质结结构为例, 介绍了异质结的主要物理性质, 最终以异质结新技术为出发点, 展望异质结技术发展的新方向。

关键词：液相外延,双异质结,同质结,有源区

参考文献

[1] 杨祥林.光纤通信系统[M].北京:国防工业出版社, 2000:95～98.

[2] 刘增基, 周洋益, 胡辽林, 等.光纤通信[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2004:46～50.

[3] 李金华, 袁宁一, 李坤, 等.二氧化锡衬底上sol-GelPLT膜的性能研究[J].江苏石油化工学院学报, 2001, 2.

[4] 鲁运庚, 高立晟.肖克莱与半导体科学技术的发展[J].物理, 2001, 1.

[5] 闵建民.发明晶体管的物理学家[J].中学物理教学参考, 1999, 8.

[6] 孔梅影, 梁基本, 曾一平.进一步提高我国分子束外延技术的探讨[J].高技术通讯, 1994, 1.

半导体行业调研报告范文第6篇

随着时代的发展,现代科学技术给人类带来物质文明的同时,也为环境带来一系列的污染,如织染厂、皮革厂、印刷厂等在工业生产中会产生大量的高浓度废水,它们通常含有很多有毒有害的物质,不经过处理便排放到自然环境中,不仅会对水体造成严重污染,还会对人类以及生物的生存造成严重的危害[1,2,3]。因此,去除工业废水中的有害物质变得越来越紧迫,20世纪70年代初,能源短缺和环境污染问题促进了将太阳能转化成一种可实际使用的新能源引起了人们的关注。1972年日本东京大学Fujishima和Honda在《Nature》刊物上发表了光电池中受辐射的二氧化钛可发生持续的水氧化还原反应而产生氢气和氧气的现象,引起了人们的广泛关注,这一现象被命名为“本多-藤岛效应”[4]。1976年Carey等人利用二氧化钛在紫外光的照射下,可以光催化降解水中污染物(多氯联苯),开启了光催化技术在环境保护方面的广泛应用[5]。经过近五十年的发展,光催化技术的应用范围不断扩展,不仅能够将有机污染物降解为CO2和H2O等无毒无害物质,还能够将水中含有的Cr(VI),Pb(II),Hg(II)等重金属离子还原,最终达到无害化处理的目的,对废水的净化起到了良好效果,引起了各国科学工作者的广泛关注[6]。

BiOBr作为一种高性能的新型光催化半导体材料,其晶体结构为四方氟氯铅矿结构(PbFCl,对称性为D4h,空间群为P4/nmn),可看做是沿着C轴方向的双Br-层和[Bi2O2]2+层相互交替出现,而最终形成的层状结构,双层排列的卤Br离子层由Br原子间是通过非共价键结合,这就导致Br-层和[Bi2O2]2+层之间产生一个内建电场,能够使光生电子和空穴有效的分离,有效的提升光催化降解效率[7]。

另外,BiOBr光催化材料由于对环境友好和化学稳定性逐渐成为了光催化领域内一个热门的研究方向。王亚等人[8]以Bi(NO3)35H2O和PVP为原料采用溶剂热法合成3D分级微球BiOBr,实验表明,3D分级微球BiOBr通过空穴氧化破坏细菌的细胞膜和细胞壁,达到可见光下杀灭细菌的目的。Wang等人[9]在低温条件下通过水解BiBr3制备出了高活性的BiOBr粉末,实验结果证明了该催化剂对被降解污染物没有选择性,并且推测了反应的活性物种和催化机理。Shi等人[10]在PVP辅助下通过溶剂热法合成了具有分级结构的BiOBr,并讨论了溶剂热温度和PVP的加入量的不同对光催化活性的影响,结果表明,PVP加入量的不同对可见光光催化活性有一定的影响。Huo等人[11]以CTAB为溴源、Bi(NO3)3为铋源,利用溶剂热法合成出了花球状的BiOBr粉末,研究了溶剂对于BiOBr形貌的影响,解释不同溶剂下BiOBr的形成机理。

本文通过水热法和溶剂热法制备了BiOBr半导体光催化材料,并利用XRD、UV-Vis漫反射光谱等技术手段对所制备样品的结构、结晶性以及光吸收性能等进行表征。并以罗丹明B为被降解有机污染物,可见光为光源,研究了不同条件下制备出的BiOBr光催化材料的性能。

2.实验部分

(1)BiOBr光催化剂的制备

以硝酸铋(Bi(NO3)35H2O)为铋源,溴化钠(NaBr)为溴源、分别利用水热法和溶剂热法制备BiOBr,考察了不同的实验方法对BiOBr样品纯度的影响以及不同温度对BiOBr样品的光催化性能的影响。

溶剂热法:分别称量1.358g的硝酸铋(Bi(NO3)35H2O)和0.15g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)依次倒入50mL的乙二醇(EG)中,水浴加热80℃搅拌15min使其充分溶解后得到溶液A。然后将0.28812g的溴化钠(NaBr)充分溶解于20mL去离子水中充分溶解后得到溶液B,将溶液B缓慢倒入溶液A中水浴加热搅拌20min得到溶液C,将溶液C转移到100mL聚四氟乙烯衬里的不锈钢高压反应釜中,添加去离子水使之达到80%填充体积,放入烘箱中在特定温度条件下反应12h,取出反应釜自然冷却至室温。用去离子水对得到的物质进行过滤、洗涤数次。将得到的粉末样品在80℃下干燥6h得到BiOBr样品。(注:特定温度为140℃、160℃、180℃。)

水热法:将溶剂热法步骤中的有机溶剂乙二醇换成去离子水,水热反应温度设置为160℃,保温时间为12h,其他条件不变。

(2)BiOBr光催化剂的表征

用德国Bruker公司D8 ADVANCE型X射线衍射仪测定BiOBr样品的晶体结构和结晶度(辐射波长=0.154nm,加速电压=40kV,电流=30mA,扫描范围为5～80°)。样品的紫外可见漫反射吸收光谱表征用日本HITACHI公司U-3900H紫外可见分光光度计测试,以硫酸钡(BaSO4)为参照,对所制备的催化剂进行测试,扫描范围为200～800nm。样品的光催化活性测试用日本HITACHI公司U-3900H紫外可见分光光度计测试,以罗丹明B为被降解的有机污染物,采用氙灯搭配420nm光学滤波片,将波长小于420nm的光源滤掉,对所制备的催化剂的性能进行测试,扫描范围为200～800nm。

(3)BiOBr样品的光催化性能测试

配制50mL浓度为15mg/L的罗丹明B溶液,取4mL罗丹明B溶液用紫外-可见分光光度计测定罗丹明B溶液的初始吸光度得到C0。取20mg BiOBr样品加入浓度为15mg/L的罗丹明B溶液中,磁力搅拌暗反应30min后达到吸附-脱附平衡后,再将溶液置于300W,波长大于420nm的可见光下,在灯距液面14cm条件下,进行光催化实验,每隔2min取4mL溶液,用0.22nm的滤头过滤后得到清液,采用紫外-可见分光光度计测定溶液最大吸收波长处的吸光度(罗丹明B的最大吸收波长为554nm)。

3.结果与讨论

(1)X射线衍射(XRD)分析

a为水热法160℃,b为溶剂热法180℃,c为溶剂热法160℃,d为溶剂热法140℃

图1为不同温度,反应时间为12h,反应条件分别为水热法160℃、溶剂热法180℃、溶剂热法160℃、溶剂热法140℃下合成的BiOBr样品的XRD图谱,衍射角2θ=25.198,31.718,32.241,46.241,57.162分别与BiOBr标准的PDF卡片(PDF#78-0348)的(101),(102),(110),(200),(212)晶面对应,其晶胞参数:a=b=3.92nm,c=8.11nm。对比后可以发现不同反应条件下合成的样品与标准的PDF卡片基本一致,说明制备出的样品空间群为P4/nmm,晶系为四方晶系的BiOBr样品。但b样品衍射线在2θ=27.5°左右时出现Bi单质的杂峰,分析可知,此峰是因为乙二醇在温度过高的情况下发生还原反应生成的Bi单质。

对比水热法和溶剂热法,在反应温度(160℃)相同 (如图中a,c线)对BiOBr样品制备的影响可以看出:溶剂热法160℃合成的BiOBr样品在2θ=32°左右时衍射峰明显高于水热法160℃合成的BiOBr样品,且半峰宽窄,说明溶剂热法160℃合成的BiOBr样品的结晶度高,颗粒较小。而水热法160℃合成的BiOBr样品衍射峰最弱且最宽,说明样品颗粒尺寸较大,结晶性较差。

在溶剂热法中,反应温度(140℃、160℃、180℃)不同(如图中b、c、d线)对BiOBr样品制备的影响可以看出:160℃合成的BiOBr样品衍射峰最高,且衍射峰宽,说明结晶度高。140℃合成的BiOBr样品衍射峰最弱,衍射峰最宽,说明样品颗粒尺寸大。当温度为180℃时合成的BiOBr样品中含有杂质Bi单质,衍射峰较弱,衍射峰较宽。因此,随着温度的升高样品的结晶度也越好,但随着温度的升高使乙二醇的还原性增强,生成了一些杂质对样品的纯度造成了一定的影响。

(2)紫外-可见漫反射吸收光谱(DRS)分析

a为水热法160℃,b为溶剂热法180℃,c为溶剂热法160℃,d为溶剂热法140℃

紫外可见光谱信号的灵敏度比近红外光谱信号高,并且紫外可见光谱的穿透性能可以达到几个毫米,因此紫外-可见漫反射吸收光谱被广泛应用于研究材料光吸收性能。图2为不同反应条件下12h合成的BiOBr样品紫外-可见漫反射图谱。从图2中可以看出,所制备出的:

(a)样品的吸收波长为449.6nm。

(b)样品的吸收波长为456.5nm。

(c)样品的吸收波长为453.1nm。

(d)样品的吸收波长为440nm。

根据半导体光催化材料的光吸收值λg与禁带宽度Eg的关系式:

可以求出不同方法制备出的BiOBr样品(a-d)的禁带宽度分别为2.758eV、2.716eV、2.737eV、2.818eV,这与文献所报道的BiOBr能带范围相一致[12]。由此可以看出不同反应条件对BiOBr样品的禁带宽度的影响很小。BiOBr样品可见光区具有良好的响应能力,因此BiOBr适合在光催化技术中作为可见光光催化剂使用。

(3)光催化性能分析

从图3中可以看出,不同条件下制备出的BiOBr光催化材料降解效率明显不同,其中变化最快的是溶剂热法160℃,反应时间12h合成的BiOBr样品,当光照时间达到16min时已降解罗丹明B的吸光度达到0.049。

根据光催化降解效率公式:

式中:η为催化剂的降解效率,C0为罗丹明B的初始浓度,Ct为光照时间为t时刻的罗丹明B的浓度,A0和At分别为对应的吸光度的值。

根据上述公式可以计算出水热法160℃制备的BiOBr样品催化效率为93.50%,溶剂热法180℃制备的BiOBr样品催化效率为94.71%,溶剂热法160℃制备的BiOBr样品催化效率为95.10%,溶剂热法140℃制备的BiOBr样品催化效率为93.94%。实验表明,用溶剂热法反应,反应时间为12h,反应温度为160℃的条件下制备的BiOBr光催化剂具有较高的光催化效率,这可能由于在此条件下,制备出的样品颗粒较小,结晶度高所导致的,这样XRD实验的结果相一致。

4.结论

本文利用硝酸铋(Bi(NO3)35H2O)为铋源,溴化钠(NaBr)为溴源,分别使用水热法和溶剂热法制备BiOBr半导体光催化材料。通过XRD、UV-Vis DRS对所得样品进行了相关性能的表征分析。配制15mg/L的罗丹明B溶液为有机污染物,用300W,波长大于420nm的可见光照射,研究了BiOBr样品的光催化性能。根据实验结果和相关性能表征分析,得到以下结论:(1)在反应温度160℃,反应时间12h下,溶剂热法合成的BiOBr样品的结晶度高,颗粒小,导致光催化性能较好。(2)在溶剂相同,温度不同所合成的BiOBr样品中,随着温度的升高样品的结晶度越好,因此光催化性能也越好,但由于温度达到180℃,乙二醇的还原性越增强,使合成的样品中生成了杂质,对样品的光催化活性造成一定的影响。

摘要：本文利用水热法和溶剂热法制备了BiOBr半导体光催化材料,并对在不同条件下制备出的BiOBr光催化材料的性能进行了研究。同时采用X-射线衍射仪(XRD)、紫外-可见漫反射谱仪(DRS)等仪器对制备出的BiOBr光催化剂进行了性能表征分析,在可见光的照射下,以罗丹明B为被降解的有机污染物,研究了制备出不同催化剂的光催化活性。实验结果表明,利用溶剂热法在反应温度为160℃、反应时间为12h所制备出的BiOBr光催化材料性能最好。

关键词：BiOBr,光催化材料,性能研究

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