国家标准 GB/T37131一2018 纳米技术半导体纳米粉体材料紫外-可见漫反射光谱的测试方法 Nanoteehnologies一Iestmethodofsemieondueornanopowderusing UV-Visdiffuserefleetaneespectroseopy 2018-12-28发布 2018-12-28实施国家市场监督管理总局发布币国国家标准化管理委员会国家标准
GB/37131一2018 目次前言引言范围 2 规范性引用文件术语和定义方法原理仪器 5.1紫外-可见分光光度计 5.2积分球样品池 5.3 .！参比白板 5.5仪器校准 6 样品制备测试方法 7.1测试条件 7.2测试步骤 7.3主要影响因素数据处理与结果分析测试报告附录A资料性附录)金红石型纳米氧化钛带隙宽度值的计算附录B(资料性附录)操作参数对纳米氧化锌紫外-可见漫反射光谱的影响附录C(资料性附录测试报告 ll 参考文献 12
GB/T37131一2018 前言本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草本标准由科学院提出本标准由全国纳米技术标准化技术委员会(SAC/TC279)归口本标准起草单位:国家纳米科学中心,北京为康环保科技有限公司、广州特种承压设备检测研究院、北京市理化分析测试中心,北京科技大学,北京粉体技术协会本标准主要起草人:朴玲钰、吴志娇、曹文斌、杨麟、高峡、常怀秋、刘文秀、尹宗杰、高原
GB/T37131一2018 引言与传统的半导体材料相比,半导体纳米粉体材料呈现出特殊的光学和电学性质,具有优异的光电转化特性,在新能源制备、环境保护化工,医药、航空和军事等领域均得到广泛应用紫外-可见漫反射光谱是研究半导体纳米粉体材料光学性质的重要表征手段,可用于带隙、色差分析,表面吸附、粉体之间的反应,以及其他一些重要性质的研究在半导体纳米粉体材料的紫外-可见漫反射光谱中,特征漫反射峰位置与其带隙直接相关带隙是半导体纳米粉体材料非常重要的物理特性直接影响材料的光学性质与应用领域及范围结合紫外-可见漫反射光谱与库贝尔卡-蒙克(Kubelka Munk)方程可计算半导体纳米粉体材料的带隙为满足我国科研与生产部门的需求,需要对该测试方法进行规范与标准化 IN
GB/T37131一2018 纳米技术半导体纳米粉体材料紫外-可见漫反射光谱的测试方法范围本标准规定了半导体纳米粉体材料的紫外-可见漫反射光谐测试方法本标准适用于不透光半导体纳米粉体材料漫反射光谱的测试规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本文件凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 JJF1232反射率测定仪校准规范 JJG;178紫外,可见、近红外分光光度计检定规程术语和定义下列术语和定义适用于本文件 3.1 半导体semiconduetor 电阻率介于导体与绝缘体之间,其范围为10-ncm~10"Qcem的一种固体物质电流是由带正电的空穴和带负电的电子的定向传输实现的 GB/T14264一2009,定义3.218 3.2 纳米粉体nanopowder 离散纳米颗粒的集合体注:改写自GB/T196192004,定义3.2.l.l 3.3 漫反射dfuserefleeton 在宏观尺度上不存在规则反射时.由反射造成的弥散过程 CJJF1032-2005,定义4.5] 3.4 反射率refeetivity 材料层的厚度达到其反射比不随厚度的增加而变化时的反射比,无量纲 JF1032-2005,定义4.42] 3.5 积分球integratimngsphere 作为辐射计,光度计或光谱光度计的部件使用的中空球,其内表面覆以在使用光谱区几乎没有光谱选择性的漫反射材料 LJF1032一2005,定义3.52]
GB/T37131一2018 3.6 参比自板refereneeofwhitetitle 反射比高、光谱选择性小的近似各向同性漫反射体 3.7 禁带宽度eneryap 带隙band lgap 半导体中电子两相邻允许基本能带相隔的能量范围注1通常半导体材料禁带宽度是指价带顶到导带底的间隔值,常用符号E，或，表示,单位为电子伏特(eV. 注2:改写自s/T11067一1996,定义2.1. 3.8 紫外-可见漫反射光谱UV-Visdiffusereflectancespectroscopy;UV-VisDRs 物质分子吸收波长范围为200nm~800nm的电磁辐射,其价电子由基态跃迁至激发态,产生特征吸收,以漫反射方式获得的吸收光谱方法原理半导体纳米材料吸收紫外-可见光波段的能量,其价带电子由价带顶跃迁至导带底,产生吸收,形成半导体纳米粉体材料的紫外-可见漫反射光谱由该光谱可获得材料的吸收波长信息,并可通过库贝尔卡-蒙克方程计算材料的带隙在紫外-可见漫反射光谱中,漫反射满足库贝尔卡-蒙克方程,这个方程应用于无限厚不透明物质时,表示为式(1): (1一R.) F(R= 2R 式中: 层厚为无穷大时的绝对反射率,以百分数表示; R 吸收系数,主要取决于漫反射体的化学组成; K -散射系数,主要取决于漫反射体的物理特性半导体纳米粉体材料的吸收边与F(R)之间的关系为式(2): huF(R.)]'"=A(hw一E, 2 式中光子能量,单位为电子伏特(eV); hu 带隙,单位为电子伏特(eV). E 比例常数常数,与材料的性质有关,直接带隙半导体刀取1/2,间接带隙半导体n取2 在实际测试中,用白板作参比,测试样品对于参比白板的相对反射率为R,这时式(2)转化为式(3) [huF(R)]"=A(hu一E 由紫外-可见漫反射光谱[图la],结合式(3)计算材料的带隙E,[图1b)],详细过程参见附录A
GB/37131一2018 60 40- 2 20 300 400 500 600 700 800 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 波长/mn 波长/ev 紫外-可见漫反射光谱 bD h[hFR)]"曲线 a 图1半导体纳米氧化钛的紫外-可见漫反射光谱与hw[hrr(R)]"曲线 S 仪器 5.1紫外-可见分光光度计根据试样的测试要求,选用配有积分球且符合JG178规定的单波长单光束或单波长双光束的紫外-可见分光光度计,波长范围为200nm800nm. 人射光束照在样品表面,并反射到积分球内,光线在球中自动聚集聚集起来的光被积分球投射到接收器,产生电信号,并以波长的函数被记录下来,得到光谱曲线 5.2积分球积分球是一个金属空心球,内壁涂有高反射率材料见图2) 参比光束与样品光束分别照射到参比白板与样品上，经过漫反射进人积分球内部光束在球内经多次漫反射,形成一个理想的漫射源,可以消除被测样品与探测器件受光面的不均匀性带来的影响,以及测试中偏振的影响注高反射率材料一般为AL.O.,IBaso,MgO或聚四氟乙娇样品光束入射窗口参比白板参比光束入射窗口参比白板或样品图2积分球示意图
GB/T37131一2018 5.3样品池样品池直径大于2cnm 5.4参比白板包括以下内容: 自制白板;取ALo.hso.MeO或聚四纵乙烯四种材料之-一散人样品池中并填满,用玻璃 a 棒压实,使其表面平整光滑; b 商用白板:表面干净,平整光滑; 自制白板与商用白板均应计量检定后使用 5.5仪器校准应采用JJG178,JF1232中仪器的校准方法对设备进行校准样品制备 6 包括以下内容: 样品要充分干燥、保持粉体状态,如果有结块可进一步研磨成粉体; a 样品用量应不低于20mg; b c 样品压制;对于普通的粉末样品池将样品充满整个样品槽用玻璃棒压实,使其表面平整光醋,对于特制的样品池把样品均匀铺在样品池表面,用石英片或玻璃棒将其压实压平测试方法 7.1测试条件宜采用如下测试条件: 光源:爪灯与鸽灯; a b 波长范围:200nm一800nm:; e 环境条件;温度20C25C,相对湿度不大于85% d 扫描步长;小于1nm; 狭缝宽度:2nm~8nm; e fD 样品用量:不低于20mg 7.2测试步骤包括以下内容: 取两块白板分别用于参比与基线扫描.将其分别放于参比和样品测试窗口; a) 设定波长范围、扫描步长、狭缝宽度、扫描迷率等参数" b 首先对参比白板进行波长扫描,建立系统基线 d 取下样品测试窗口的白板,放置测试样品，在设定波长范围内进行扫描; 得到测试样品的紫外-可见漫反射光谱; 按上述步骤,对同一样品应进行至少3次平行测试 8
GB/T37131一2018 7.3主要影响因素以下因素的影响规律适用于不同型号的紫外-可见分光光度计: 样品用量;样品用量过少,检测到的信号弱且误差较大,重复性欠佳; a b 扫描步长;扫描步长增大会降低测试结果的准确度; 狭缝宽度;狭缝小得到的谐图噪声大,狭缝大测试的分辨率低 c 注;具体影响规律参见附录 B 数据处理与结果分析从紫外-可见漫反射谱线上读取样品的特征吸收波长及对应的反射率根据实际需要,通过库贝尔卡-蒙克方程计算样品的带隙测试报告测试报告(参见附录c)包括但不限于以下内容测试样品 a I)名称; 2)状态 b)仪器设备 1名称型号; 条件(样品用量,波长范围,狭缝宽度,扫描速率,扫描步长、环境温湿度) 测试结果样品的紫外-可见漫反射图谱其他信息 d 1测试日期; 测试单位及测试人 22
GB/T37131一2018 附录 A 资料性附录) 金红石型纳米氧化钛带隙宽度值的计算概述 A.1 根据紫外-可见漫反射光谱,通过库贝尔卡-蒙克方程计算纳米TO样品的带隙宽度值 A.2纳米ro带隙宽度值的计算取0.04只纳米TiO粉末样品,扫描范围250nm~800nm,扫描步长0.5nm,狭缝宽度5nm,室温 22C,相对湿度23.2%,测试紫外-可见漫反射光谐,平行测试3次由紫外-可见漫反射光谱(图A.1),作h-[hF(R)]1曲线,得到图A.2(TiO为间接带隙半导体,取2) 对图A.2曲线求导,得到图A.3,a点为该曲线的最高点在图A.2曲线上a点位置作切线,切线与能量轴相交,即[hF(R)]1"=0处,可以得到半导体的带隙E.,即图A.2中b点位置假设图A.2中切线的方程为式(A.l). y=k.r十C A.1 式中斜率由图A.3得到a点横坐标为3.37,纵坐标值为11.74,两值分别对应图A.2中a点的横坐标与切线的斜率值图A.2中,已知a点的横坐标,可知其纵坐标值为2.07 将a点的坐标值以及人值代人式(A.1)，得到C=一37.49,因此式(A.1)表达为式(A.2): y=11.74r一37.49 A.2) 图A.2中,b点的纵坐标为0,由式A.2)得到其横坐标x=3.19,即纳米TiO的带隙宽度 E,=3.19eV 上述计算过程可参见参考文献[8]~[10] 80 60 40 20 30o 00 50o 60o0 70o 80o 波长/nm 图A.1半导体纳米Tio的紫外-可见漫反射光谱
GB/T37131一2018 -ll.74 3.2 能量/eV 图A.2h[hr(R)]"曲线 12 6 3.5 3.6 能量/ev 图A.3h-[hvr(R)]"曲线的微分
GB/T37131一2018 附录 B 资料性附录) 操作参数对纳米氧化锌紫外-可见漫反射光谱的影响 B.1概述针对主要操作参数对分析结果的影响进行了说明,主要包括样品用重、扫措描步长和狭缝宽度的介绍 B.2样品用量的影响取纳米Zno的样品量0.0025g0.12g,测试其紫外-可见漫反射光谱,每个样品平行测试3次测试条件见表B.1 表B.1不同样品用量时纳米Zno紫外-可见漫反射光谱测试条件温度/ 波长扫描范围/n 扫描步长狭缝宽度/n 相对湿度/% 样品用量/g /nm /nm nm 250800 0.5 22 26.8 0.0025~0.12 测试结果见图B.1,从上到下,样品量排序与曲线顺序对应样品用量大于0.01g,测得的紫外-可见漫反射曲线误差小,重复性较好样品用量过少,易使光从人射光圈的边缘漏掉,造成测到的信号弱且误差较大,重复性欠佳 100 0.01g 80 60 0.12g 0.07g 0.04g 40 0.02g 0.015g 0.0lg 20 0.005g 0.0025g 300 400 500 600 700 800 波长/nm 图B.1 纳米Zno不同样品用量的紫外-可见漫反射光谱
GB/37131一2018 B.3扫描步长的影响测试纳米ZnO不同扫描步长的紫外-可见漫反射光谱,样品平行测试3次测试条件见表B.2 表B.2测试不同扫描步长时纳米no紫外-可见漫反射光谱测试条件波长扫描范围/nm 扫描步长/nm 狭缝宽度/nm 温度/ 相对湿度/% 样品用量/g 250800 0.52 22 21,4 0.00250.12 图B.2a)与B.2b)分别为不同扫描步长时,样品的紫外-可见漫反射光谱及其带隙值随扫描步长的变化曲线样品在不同扫描步长时测得的紫外可见漫反射光谱无明显区别通过库贝尔卡-蒙克方程,由图B.2a)曲线数据计算样品的带隙值[图B.2b)] 扫描步长为2nm时,得到的带隙值与步长为 0.5nm与1nm时的带隙值相差较大扫描步长越大,漫反射曲线上的点越少,通过库贝尔卡-蒙克方程计算得到的样品带隙值偏差越大 3.34 0.5nm lnm 3.32 2nm 3.30- 0.5nm 3.28 1nm 2nm 3,26 300 400 600 700 800 0.8 1.6 2.0 500 波长/mm 扫描步长/nm 紫外-可见漫反射光谱 a 带隙值变化图图B.2纳米Zn0不同扫描步长的紫外-可见漫反射光谱与带隙值变化图 B.4狭缝宽度的影响测试不同狭缝宽度时纳米ZnO的紫外-可见谩反射光谱,每个样品平行测试3次测试条件见表B3 表B.3测试不同狭缝宽度时纳米Zno紫外-可见漫反射光谱测试条件波长扫描范围扫播步长/n 狭缝宽度/n 温度/C 相对湿度/% 样品用量/g /nm /n nmm 250~800 0.5 0.15 0.03 22 26,4 图B.3为不同狭缝宽度时测得的纳米ZnO紫外-可见漫反射光谱当狭缝宽度为0.1nm,0.5 nm
GB/T37131一2018 与1nm时,曲线噪声明显图B.3c)为样品的带隙值随狭缝宽度改变的变化曲线,狭缝宽度为0.5 nm 与 i1nm时,平行测量的标准偏差较大狭缝越小,得到的紫外-可见漫反射曲线的噪声越大,重复测量 nm5nm 获得的带隙值的重复性越差狭缝宽度为2 时,样品的带隙值几乎不随狭缝宽度的改变而变化,测试的重复性较好 100 0.5nm 80- 2nm 60- 0.5nm 5nm 0.lmm Lnm 40- 2nm nm 20 5nm 300 400 50o 60o 700 800 300 400 500 60o 700 80o 波长/nm 波长/nm 狭缝为0.1nm的紫外-可见漫反射光谱 b狭缝为0.5mm5nm的紫外-可见漫反射光谱 a 3.36 3.33. 3.30. 粮 3.27” 3.24 狭缝宽度/nm 带隙值变化图图B.3纳米zno不同狭缝宽度时的紫外-可见漫反射光谱与带隙值变化图 10
GB/T37131一2018 附录 C 资料性附录测试报告测试报告格式见表C.1 表c.1半导体纳米粉体材料紫外-可见漫反射光谱测试报告送检单位测试样品名称状态仪器名称型号样品用量/mg 波长范围/nm 狭缝宽度/nm 测试条件扫描速率/nm/min 扫描步长/nm 环境温度/c 相对湿度/% 紫外-可见漫反射光谱典型图谐) 特征吸收波长/nm 测试结果特征吸收波长对应的反射率/% 带隙/eV 测试单位测试人测试单位等测试日期审核人审核日期 11
GB/T37131一2018 参考文献 GB/T142642009 半导体材料术语 [1] [2幻 GB/T19619一2004纳米材料术语 [3]JJF1032一2005光学辐射计量名词术语及定义 [打]sI/T11o67一1996红外探测材料中半导体光电材料和热释电材料常用名词术语 [5]Taue，J..Grigorovriei，R.，Vancu，A.Opienl lpropertiesandelectronicstructureofamor phousgermanium [] Phys.StatusSolidiB15627-6371966 [67 Davis，E Mott Conductioninnon-crystallinesystemsV.Conductivity，optical Philos 229031970). absorption.andphotocondueivitryinamorphoussemiconductors Mog [7” Tauc， Menth， Wood， Opticalandmagneticinvestigationsofthelocalized statesinsemiconductingglasses[J].Phys，ReU.Lett，25749-7521970). [8 Lin，H.，Huang P.，Li，W.，etal.SizedependencyofnanocrystallineTiO.onitsoptical propertyandphotocatalytiereactivityexempifiedby2-chlorophenol[J] A力pl.Catal B:Enuiron. 681-112006). Simmons，E.LDiffusereflectancespectroscopy:acomparisonofthetheories[J] AppliedlOptics141380-13861975). 10]EscobedoMorales，A.,SanchezMora，E.，Pal，U.Useofdiffusereflectancespectroscopy foropticalcharacterizationofun-supportednanostructures ReistaMericanaDefisicaS5318-22 2007). [11]李文通.紫外漫反射光谱及其在化学中的应用].光学仪器,l1(3)6-12(1989). [[12]汪斌华半导体无机纳米材料的光学特性及其应用研究[D].成都;四川大学,26-26(2003). [[13]邱雁.漫反射光谱的理论与应用研究[D].上海;同济大学,3-8(2007). 12

纳米技术半导体纳米粉体材料紫外-可见漫反射光谱的测试方法GB/T37131-2018

引言

随着纳米技术的不断发展和应用，越来越多的人开始关注纳米粉体材料的性质与特点。为了保证这些材料的质量、安全和稳定性，我国制定了一系列相关标准，其中包括纳米技术半导体纳米粉体材料紫外-可见漫反射光谱的测试方法GB/T37131-2018。

标准概述

GB/T37131-2018是一项针对半导体纳米粉体材料紫外-可见漫反射光谱测试方法的标准，其主要目的是规范这种材料的光学特性测试方法和过程，为纳米技术应用提供技术支持。

该标准适用于各种类型的半导体纳米粉体材料的紫外-可见漫反射光谱测试，包括测试时应采用的仪器设备、样品制备、测试条件等方面的内容。

主要特点

GB/T37131-2018在半导体纳米粉体材料光学特性测试方面具有以下主要特点：

针对半导体纳米粉体材料的特性进行了细致而全面的测试；
规范了样品制备和测试条件等方面的要求，保证了测试结果的准确性和可靠性；
同时提供了较为全面的数据分析和评价方法，为相关部门制定政策和规章提供支持。

应用前景

GB/T37131-2018的发布对于推动纳米技术应用具有积极意义。一方面，该标准的实施将有助于规范半导体纳米粉体材料的光学特性测试工作，提高材料的质量、安全和稳定性；另一方面，标准的制定和实施还将推动相关技术的发展和应用，促进我国纳米技术产业的可持续发展。

结论

纳米技术半导体纳米粉体材料紫外-可见漫反射光谱的测试方法GB/T37131-2018是一项具有重要意义的标准。该标准的发布将有助于规范半导体纳米粉体材料的光学特性测试工作，提高材料的质量、安全和稳定性，同时也将促进相关技术的发展和应用。