4. Содержание и структура дисциплины.
Классификация электрохимических методов измерения.
Методы измерения ЭДС электрохимических цепей.
Неравновесные методы измерений.
Методы, основанные на применении импульсного тока
Метод электрохимического импеданса.
ДИСЦИПЛИНЫ И КУРСЫ ПО ВЫБОРУ СТУДЕНТА
7.ЭЛЕКТРОХИМИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
1. Место дисциплины в структуре основной образовательной программы (ООП).
Дисциплина «Электрохимия полупроводников» относится к разделу «Дисциплины и курсы по выбору студента» профессионального (специального) цикла для изучения в 3 семестре студентами 2 года обучения по магистерской программе «Электрохимия».
Для освоения дисциплины «Электрохимия полупроводников» обучающиеся используют знания, умения, сформированные в ходе изучения дисциплин «Неорганическая и аналитическая химия», «Физическая химия», «Высокотемпературная электрохимия».
Данный курс важен для понимания отдельных электрохимических вопросов, которые имеют фундаментальное значение.
2. Место дисциплины в модульной структуре ООП
Дисциплина «Электрохимия полупроводников» является самостоятельным модулем.
3. Цель изучения дисциплины
Цель освоения дисциплины – выработать у студентов понимания взаимосвязи между зонной структурой полупроводника и процессами электронного обмена, которые протекают на его поверхности в растворах электролитов.
4. Структура дисциплины
Учебная дисциплина «Электрохимия полупроводников» состоит из введения и 8 разделов:
Введение. Предмет и задачи электрохимии полупроводников. Особенности электрохимического и фотоэлектрохимического эксперимента. Основные вопросы программы, понятия, используемые в курсе. Требования к ячейкам, электролитам, электродам и источникам излучения.
Раздел 1. Природа скачков потенциала на границах раздела фаз. Электродвижущая сила электрохимической системы и электродный потенциал. Термодинамическое описание электрохимического равновесия. Гальвани потенциал. Уравнение Нернста. Измерение электродных потенциалов. Двойной электрический слой на твердых электродах.
Раздел 2. Общая характеристика полупроводниковых материалов. Элементы зонной теории твердых тел. Валентная зона, зона проводимости, запрещенная зона. Уровень Ферми и функция Ферми. Поверхностные электронные состояния. Равновесные концентрации носителей тока в полупроводниках n- и р-типа проводимости, собственных полупроводниках. Перенос зарядов из полупроводника на частицы, адсорбированные на поверхности в растворах электролитов. Флуктуирующие уровни энергии окислителей и восстановителей в полярной среде.
Раздел 3. Область пространственного заряда (ОПЗ) в полупроводнике. Распределение скачка потенциала на гетерогранице полупроводник/электролит. Эффекты, обусловленные пространственным зарядом. Дебаевская длина экранирования (LD), ширина ОПЗ (Lsc) и потенциал плоских зон полупроводниковых электродов (Efb). Факторы, определяющие эти величины. Построение энергетической диаграммы контакта полупроводник-электролит. Закрепление энергетических зон на поверхности полупроводниковых электродов. Закрепление уровня Ферми. Электрохимическое определение Lsc, Efb и концентрации основных носителей тока. Уравнение Мотта-Шоттки. Заряжение емкости двойного электрического слоя. Эквивалентные электрические схемы для границы раздела полупроводник – раствор электролита.
Раздел 4. Фотоэлектрохимические процессы на поверхности полупроводниковых электродов. Действие света на полупроводники. Разделение фотозарядов в ОПЗ. Уравнение Гартнера. Фототок и фотопотенциал. Квантовый выход фототока. Фотополяризационные измерения. Спектральная зависимость фототока и фотопотенциала. Фотоэлектрохимическое определение типа проводимости полупроводника, потенциала плоских зон, ширины запрещенной зоны, диффузионной длины неосновных носителей тока, концентрации основных носителей тока. Спектральная сенсибилизация фотоэлектрохимических процессов. Сенсибилизация красителями в растворе. Суперсенсибилизаторы. Сенсибилизация примесями в полупроводнике. Фотоэлектрохимические процессы в полупроводниковых гетероструктурах. Фотоэлектрохимическое поведение анизотипных и изотипных гетеропереходов. Фотоэлектрохимическая микроскопия поверхности гетерогенных полупроводниковых электродов. Процессы фотоинтеркаляции и фотодеинтеркаляции.
Раздел 5. Фотокоррозия полупроводников. Кинетический и термодинамический подход при рассмотрении фотокоррозионной проблемы. Коррозионное поведение важнейших полупроводниковых электродов (оксидных, халькогенидных, AIIIBV, элементных и др.). Фотокоррозионное поведение слоистых полупроводников. Пути предотвращения фотокоррозии. Светочувствительное травление полупроводников.
Раздел 6. Фотоэлектрохимия коллоидных полупроводников и суспензий. Механизм фотоэлектрохимических процессов в микрогетерогенных системах. Электронные волновые функции в полупроводниковых кластерах. Эффекты квантования. Влияние размеров на оптические и фотоэлектрохимические свойства. Основы методов приготовления микрогетерогенных систем. Фотоэлектрохимические процессы в системе полупроводник-частицы металла.
Раздел 7. Преобразование солнечной энергии в химическую и электрическую. Классификация фотоэлектрохимических элементов для преобразования солнечной энергии. Принцип действия элементов регенеративного типа. Основные характеристики фотоэлектрохимического элемента. Фотоэлектролиз воды и его основные проблемы. Фотостимулированный электролиз воды. Фотоэлектрохимические системы с двумя полупроводниковыми электродами. Современные тенденции развития фотоэлектрохимических преобразователей солнечной энергии.
Раздел 8. Фотоэлектрохимический и электрохимический синтез полупроводников. Электроосаждение пленок и наноструктур полупроводников. Выбор потенциалов и электролитов осаждения. Получение поликристаллических и эпитаксиальных пленок. Использование подпотенциального осаждения (underpotential deposition) атомных слоев элементов (металлов и халькогенов) для электросинтеза полупроводниковых халькогенидов. Электросинтез в пористых электродах.
5. Основные образовательные технологии. В процессе изучения дисциплины используются как традиционные, так и инновационные технологии, активные и интерактивные методы и формы обучения. Так в учебном процессе используются следующие образовательные технологии: по организационным формам: лекции, практические занятия, индивидуальные занятия, контрольные работы; по преобладающим методам и приемам обучения: объяснительно-иллюстративные (объяснение, показ- демонстрация учебного материала и др.) и проблемные, поисковые (анализ конкретных ситуаций («casestudy»), решение учебных задач и др.); активные (анализ учебной и научной литературы, составление схем и др.) и интерактивные, в том числе и групповые (деловые игры, взаимное обучение в форме подготовки и обсуждения докладов и др.); информационные, компьютерные, мультимедийные (работа с источниками сайтов академических структур, научно-исследовательских организаций, электронных библиотек и др., разработка презентаций сообщений и докладов, работа с электронными обучающими программами и т.п.).
6. Требования к результатам освоения дисциплины
Изучение дисциплины позволит овладеть следующими общекультурными и профессиональными компетенциями: умением работать с компьютером на уровне пользователя и способностью применять навыки работы с компьютерами как в социальной сфере, так и в области познавательной и профессиональной деятельности (ОК-8); способностью понимать сущность и значение информации в развитии современного информационного общества, сознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе, соблюдать основные требования информационной безопасности, в том числе защиты государственной тайны (ОК-9); владением основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации, наличием навыков работы с компьютером, как средством управления информацией (ОК-10); способностью ориентироваться в создающихся условиях производственной деятельности и к адаптации в новых условиях (ОК-12); способностью определять и анализировать проблемы, планировать стратегию их решения (ОК-14); способностью самостоятельно применять методы и средства познания, обучения и самоконтроля для приобретения новых знаний и умений, в том числе в новых областях, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК-15); пониманием роли естественных наук (химии в том числе) в выработке научного мировоззрения (ПК-2); способностью использовать в познавательной и профессиональной деятельности базовые знания в области математики и естественных наук (ПК-3); использованием основных законов естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применением методов математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ПК-4); использованием основных законов естественнонаучных дисциплин и ориентироваться в создающихся условиях производственной деятельности и к адаптации в новых условиях (ПК-6); пониманием необходимости и способностью приобретать новые знания с использованием современных научных методов и владением ими на уровне, необходимом для решения задач, имеющих естественнонаучное содержание и возникающих при выполнении профессиональных функций (ПК-7); пониманием принципов работы и умением работать на современной научной аппаратуре при проведении научных исследований (ПК-9); умением применять основные законы химии при обсуждении полученных результатов, в том числе с привлечением информационных баз данных (ПК-12); владением навыками химического эксперимента, основными синтетическими и аналитическими методами получения и исследования химических веществ и реакций (ПК-13); владением методами регистрации и обработки результатов химических экспериментов (ПК-15); пониманием необходимости безопасного обращения с химическими материалами с учетом их физических и химических свойств, способностью проводить оценку возможных рисков (ПК-16).
В результате освоения дисциплины студент должен:
знать: теоретические основы распределения скачков потенциала на гетерогранице полупроводник/электролит; эффекты, обусловленные пространственным зарядом в полупроводниковом электроде; вопросы теории, конструкции и классификации фотоэлектрохимических преобразователей (ФЭП) солнечной энергии; факторы, влияющие на эффективность работы ФЭП и особенности их практического использования;
- отличительные черты и характеристики основных представителей солнечных элементов первого, второго и третьего поколения; физико-химические методы экспериментальных исследований полупроводниковых объектов;
уметь: использовать методы электрохимии для определения основных электрофизических характеристик полупроводников (ширины запрещенной зоны, концентрации основных носителей тока, диффузионной длины электронов и дырок, потенциалов плоских зон и др.); проводить оценку фотокоррозионной стабильности полупроводниковых материалов в различных растворах и предлагать различные варианты их защиты; решать учебные и исследовательские задачи на нахождение основных характеристик фотоэлектрохимических преобразователей (ФЭП) и их зависимость от различных факторов; анализировать методики разработки и исследования ФЭП; ориентироваться в перспективах и тенденциях мирового рынка ФЭП;
владеть: навыками для изучения закономерностей процессов, протекающих в фотоэлектрохимических преобразователях солнечной энергии, фотокатализаторах, при электроосаждении и электросинтезе полупроводников, получении полупроводниковых гетероструктур, функционировании систем записи информации; методами электрохимии для физико-химической идентификации полупроводников (массивных объектов, тонких пленок и наноразмерных частиц) и определения их основных электрофизических характеристик.
7. Общая трудоемкость дисциплины.
4 зачетные единицы (144 часа).
8. Форма контроля: экзамен (3 семестр).
9. Составитель:
Виндижева Мадзера Кадировна, кандидат химических наук, доцент кафедры неорганической и физической химии.
7.1.ЭЛЕКТРОКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ МЕТАЛЛОВ И СОЕДИНЕНИЙ ИЗ ИОННЫХ РАСПЛАВОВ
|
