Сичікова Я.О.

Бердянський державний педагогічний університет

Енергетичні рівні в напівпровіднику та в електроліті

Контакт напівпровідника з електролітом є більш складною системою в порівнянні з контактом між двома різними напівпровідниками. Напівпровідник характеризується електронною провідністю, електроліт – іонною. Різні агрегатні стани (тверде тіло, електроліт) вносять специфіку в фізичні та фізико-хімічні властивості міжфазної границі [1].

Розглядаючи властивості контакту «напівпровідник-електроліт», можна провести ряд аналогій з бар'єром Шотткі, якщо додатково враховувати окислювально-відновні реакції на поверхні напівпровідника [2].

Розглянемо електроліт. Іони в електроліті можуть знаходитися у відновленому (reduced) або окисленому (oxidized) станах. Перехід з одного стану в інший здійснюється за участю електрона і описується реакцією [3, 4]

, (1)

де n - число електронів, що беруть участь в ній.

Електрохімічний потенціал (Рівень Фермі) електрона в окислювально – відновному електроліті згідно рівняння Нернста [5] дорівнює:

, (2)

де E⁰ redox - рівноважний стандартний потенціал;

n - число моль електронів, що беруть участь в процесі електронного обміну між окислювальною та відновною формами речовини в сольватованому стані;

C_ox і C_red - концентрація окислювальної та відновної складових редокс-пари в електроліті.

Для кожного компонента редокс-пари гауссовий розподіл енергії має вигляд (рис. 1) [2 - 6]:

(3)

(4)

Розподіл характеризується так званою енергією реорганізації λ. Гауссовий розподіл енергетичних рівнів в електроліті має напівширину 2(λkT)^1/2.

Положення рівня E_redox щодо рівня Фермі в напівпровіднику визначає властивості межі розділу напівпровідника з розчином.

Визначити відносне положення рівня E_redox щодо рівня Фермі можна шляхом встановлення кількісної відповідності між «фізичною» шкалою енергій і електрохімічною шкалою електродних потенціалів [5, 6].

Енергію електрона прийнято відраховувати від рівня енергії електрона в вакуумі. Електродний потенціал – це різниця електричних потенціалів між електродом і електролітом, що перебуває з ним у контакті.

Практичне значення мають відносні електродні потенціали, що представляють собою різницю електродних потенціалів розглянутого електрода і електрода порівняння - найчастіше нормального водневого електроду, абсолютний потенціал якого дорівнює 4,5 eV.

Рівняння, що встановлює зв'язок між так званою фізичною шкалою енергій і електрохімічною шкалою електродних потенціалів, має вигляд:

E_Fredox= - 4,5 eV - eE_redox (5)

Рис. 1. Енергетичні рівні в напівпровіднику (ліворуч) і в окислювально-відновлюваному електроліті (праворуч)

         При зануренні напівпровідника в електроліт термодинамічна рівновага досягається за рахунок протікання на межі розділу різних електронних та іонних обмінних процесів. Електричні заряди протилежного знаку – електрони і дірки в напівпровіднику і іони в електроліті – будуть скупчуватися по обидва боки межі розділу, створюючи електричне поле. Виникає деяка різниця потенціалів, звана Гальвані-потенціалом – компенсуюча різниця хімічних потенціалів двох контактуючих фаз.

Література

1. Батенков В.А. Электрохимия полупроводников: учеб. пособие / В.А. Батенков. – [2-е изд., допол.], – Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2002. – 162 с.

2. Хомченко Г.П. Окислительно-восстановительные реакции / Г.П. Хомченко К.И. Севастьянова. – К.: Просвещение, 1989. – 141 с.

3. Дамаскин Б.Б. Химия / Б.Б.Дамаскин, О.А.Петрий, Г.А.Цирли — М.: Колос С, 2006. —672 с.

4. Плэмбек Дж. Электрохимические методы анализа / Дж. Плэмбек. – М.: Мир, 1985. — 496 c.

5. Costas C. Modern Aspects of Electrochemistry / C. Costas, G. Vayenas, Ralph E. White, Maria E. Gamboa-Aldeco. – Springer, 2008 – 420 р.

6. Гуртов, В. А.Твердотельная электроника: Учеб. пособие / В. А. Гуртов. – Москва, 2005. –492 с.