表面光電壓是固體表面的光生伏特效應(yīng)，是光致電子躍遷的結(jié)果。表面光電壓的研究始于20世紀(jì)40年代末諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)?/span>Brattain和Bardeen的工作，之后這一效應(yīng)作為光譜檢測技術(shù)應(yīng)用于半導(dǎo)體材料的特征參數(shù)和表面特性研究上，這種光譜技術(shù)被稱為表面光電壓技術(shù)（Surface Photovoltaic Technique，SPV）或表面光電壓譜（Surface Photovoltage Spectroscopy，簡稱SPS）。^[8,9]表面光電壓技術(shù)是一種研究半導(dǎo)體特征參數(shù)的極佳途徑，這種方法是通過對(duì)材料光致表面電壓的改變進(jìn)行分析來獲得相關(guān)信息的。1973年，表面光電壓研究獲得重大突破，美國麻省理工學(xué)院Gatos教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在用低于禁帶寬度能量的光照CdS表面時(shí)歷史性的第一次獲得入射光波長與表面光電壓的譜圖，并以此來確定表面態(tài)的能級(jí)，從而形成了表面光電壓譜這一新的研究測試手段。^[10,11]

SPS作為一種光譜技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)：^[7]第一，它是一種作用光譜，可以在不污染樣品、不破壞樣品形貌的條件下直接進(jìn)行測試，也可測定那些在透射光譜儀上難以測試的光學(xué)不透明樣品；第二，SPS所檢測的信息主要反映的是樣品表層（一般是幾十納米）的性質(zhì)，因此受基底的影響較弱，這一點(diǎn)對(duì)于光敏材料表面的性質(zhì)及界面電子過程研究顯然很重要；第三，由于SPS的原理是基于檢測由入射光誘導(dǎo)的表面電荷的變化，因而其具有較高的靈敏度,大約是10⁸ q/cm²（或者說每10⁷個(gè)表面原子或離子有一個(gè)單位電荷），高于XPS或Auger電子能譜等標(biāo)準(zhǔn)光譜或能譜幾個(gè)數(shù)量級(jí)。表面光電壓譜可以給出諸如表面能帶彎曲，表面和體相電子與空穴復(fù)合，表面態(tài)分布等信息，是在光輔助下對(duì)電子與空穴分離及傳輸行為研究的有力手段，是評(píng)價(jià)光催化材料活性的一個(gè)十分有效的方法。

那表面光電壓是如何產(chǎn)生的呢？當(dāng)兩個(gè)具有不同功函數(shù)的材料接觸時(shí)，由于它們的化學(xué)勢不同，在界面附近會(huì)發(fā)生相互作用，電子會(huì)從費(fèi)米能級(jí)高的物體向費(fèi)米能級(jí)低的物體轉(zhuǎn)移。n型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)比金屬的費(fèi)米能級(jí)高，因此當(dāng)二者接觸時(shí)，半導(dǎo)體中的電子向金屬運(yùn)動(dòng)，直至達(dá)到平衡狀態(tài)，從而在半導(dǎo)體表面形成電子耗盡層，使得表面能帶向上彎曲。相反的，p型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)比金屬的費(fèi)米能級(jí)低，當(dāng)二者接觸時(shí)，金屬中的電子向半導(dǎo)體運(yùn)動(dòng)，半導(dǎo)體表面形成空穴耗盡層，使得表面能帶向下彎曲。在光照條件下，半導(dǎo)體將在其表面附近產(chǎn)生非平衡的載流子（電子或空穴），非平衡載流子在表面和體相內(nèi)重新分布，并中和部分表面電荷，從而使半導(dǎo)體表面靜電荷發(fā)生變化。為了保持體系電中性，表面空間電荷區(qū)的電荷會(huì)發(fā)生重新分布，相應(yīng)的表面勢發(fā)生改變。這個(gè)表面勢壘的改變量即為表面光電壓，它的數(shù)值取決于被測樣品表面靜電荷的變化。

能夠產(chǎn)生表面光電壓的光致電子躍遷主要有三種^[12]：帶－帶躍遷、亞帶隙躍遷及表面吸附質(zhì)向半導(dǎo)體的光致電荷注入。當(dāng)入射光的能量大于或等于半導(dǎo)體的能隙寬度時(shí)，半導(dǎo)體吸收光子，電子從半導(dǎo)體價(jià)帶向?qū)кS遷產(chǎn)生電子－空穴對(duì)，在表面勢的作用下，電子－空穴對(duì)發(fā)生分離，空間電荷重新分布，最終結(jié)果使得表面電荷減少，能帶彎曲變小，產(chǎn)生表面光電壓。而當(dāng)入射光能量小于半導(dǎo)體能隙寬度時(shí)，將產(chǎn)生電子從價(jià)帶向表面態(tài)的躍遷或從表面態(tài)向?qū)У能S遷，這種躍遷也會(huì)使表面電荷發(fā)生改變，引起表面能帶彎曲的變化，也可以產(chǎn)生表面光電壓。另外一種表面光電壓的產(chǎn)生過程與表面吸附質(zhì)有關(guān)，由于吸附在半導(dǎo)體表面的物質(zhì)能夠吸收光子并與半導(dǎo)體進(jìn)行直接或間接電荷交換，也能引起半導(dǎo)體空間電荷層電荷的變化，從而引起表面勢壘的變化，即產(chǎn)生表面光電壓。