الكيمياء الكهربائية لأشباه الموصلات والكيمياء الكهربائية الضوئية
تتناول الكيمياء الكهربائية لأشباه الموصلات الأقطاب الكهربائية التي يحكم انخفاض الجهد البيني فيها وتفاعليتها منطقة شحنة فضائية داخل المادة الصلبة، مما يتيح التفاعلات التي يحركها الضوء في الخلايا الكهروكيميائية الضوئية.
Definition
الكيمياء الكهربائية لأقطاب أشباه الموصلات، حيث تتحكم منطقة الشحنة الفضائية داخل المادة الصلبة في نقل الشحنة، وحيث يمكن للإضاءة أن تولد حاملات الشحنة التي تدفع تفاعلات القطب الكهربائي.
Scope
يغطي هذا الموضوع السلوك المميز لأقطاب أشباه الموصلات: طبقة الشحنة الفضائية وانحناء النطاق، وجهد النطاق المسطح وتحديده بواسطة تحليل موت-شوتكي (Mott–Schottky)، ودور نطاقات التوصيل والتكافؤ في نقل الإلكترون، والكيمياء الكهربائية الضوئية التي تولد فيها الإضاءة الممتصة حاملات الشحنة التي تدفع الأكسدة أو الاختزال. ويشمل تطبيقات تقسيم الماء الشمسي والخلايا الحساسة للصبغة.
Core questions
- كيف يختلف قطب أشباه الموصلات عن المعدن في توزيع الجهد البيني؟
- ما هو جهد النطاق المسطح وانحناء النطاق، وكيف يتم قياسهما؟
- كيف يولد الضوء الممتص حاملات الشحنة التي تدفع التفاعلات الكهروكيميائية؟
- كيف تحول الخلايا الكهروكيميائية الضوئية الضوء إلى طاقة كيميائية أو كهربائية؟
Key theories
- طبقة الشحنة الفضائية وانحناء النطاق
- نظرًا لأن أشباه الموصلات تحتوي على عدد قليل من حاملات الشحنة المتنقلة، فإن جزءًا كبيرًا من انخفاض الجهد البيني يحدث داخل المادة الصلبة كمنطقة شحنة فضائية؛ ويتحكم انحناء النطاق الناتج في طاقة واتجاه نقل الشحنة، والذي يتم تحليله عبر مخططات موت-شوتكي (Mott–Schottky).
- توليد حاملات الشحنة الكهروكيميائية الضوئية
- يخلق الضوء الذي تزيد طاقته عن فجوة النطاق أزواجًا من الإلكترونات والثقوب؛ ويفصلها مجال الشحنة الفضائية بحيث تدفع حاملات الشحنة الأقلية تفاعلات الأكسدة والاختزال البينية، وهو أساس تقسيم الماء الكهروكيميائي الضوئي والخلايا الشمسية.
Clinical relevance
تُعد الكيمياء الكهربائية لأشباه الموصلات أساسًا لإنتاج الوقود الشمسي الكهروكيميائي الضوئي، بما في ذلك تقسيم الماء لإنتاج الهيدروجين، والخلايا الشمسية الحساسة للصبغة وغيرها من الخلايا الشمسية، والمعالجة البيئية التحفيزية الضوئية، وحفر ومعالجة أشباه الموصلات في تصنيع الإلكترونيات.
History
طور غيريشر (Gerischer) نظرية نقل الشحنة عند أقطاب أشباه الموصلات في الستينيات؛ وأدت تجربة فوشيما وهوندا (Fujishima and Honda) عام 1972 لتقسيم الماء الكهروكيميائي الضوئي على ثاني أكسيد التيتانيوم إلى إطلاق بحث مكثف في الوقود الشمسي والكيمياء الكهربائية الضوئية.
Key figures
- Akira Fujishima
- Kenichi Honda
- Heinz Gerischer
- Rüdiger Memming
Related topics
Seminal works
- fujishima1972
- memming2015
- bard2001
Frequently asked questions
- لماذا يمكن لأقطاب أشباه الموصلات أن تستجيب للضوء بينما لا تستجيب الأقطاب المعدنية عادةً؟
- تسمح فجوة النطاق في أشباه الموصلات بامتصاص الضوء لتكوين أزواج من الإلكترونات والثقوب، ويفصلها مجال الشحنة الفضائية الداخلي لدفع التفاعلات البينية، بينما تعمل الإلكترونات الحرة الوفيرة في المعدن على تبديد الطاقة الممتصة كحرارة دون فصل مستمر للشحنة.
- ما هو جهد النطاق المسطح؟
- هو الجهد الكهربائي للقطب الذي لا يوجد فيه انحناء للنطاق ولا مجال شحنة فضائية في أشباه الموصلات؛ وهو كمية مرجعية رئيسية، يتم الحصول عليها عادةً من نقطة التقاطع في مخطط موت-شوتكي (Mott–Schottky).