液相法调控制造贵金属/单晶半导体纳米核壳结构及光电性能研究

贵金属与半导体的复合结构，尤其是贵金属纳米晶与单晶半导体材料构成的核壳结构，在实现两种材料的光、电性能集成和相互调控，在荧光增强、高效率能源转化以及光电器件应用等方面都具有重要的理论和应用研究价值。本项目在申请人最近发明的大晶格失配度下金属/半导体核壳纳米结构合成方法的基础上，采用过渡金属配位化学中的软硬酸碱理论，进一步设计金属离子与阴离子的lewis酸、碱反应，调节其反应热力学与动力学，突破传统外延生长的晶格匹配度限制，在不同的贵金属核上，利用低温液相法制备大晶格失配的III-V族半导体和过渡金属氧化物单晶壳层材料；通过反应机理的研究，优化材料制造工艺，实现对壳层半导体材料的成分、结晶度和掺杂的有效调控；进而研究这些核壳结构的光、电性能及相互作用，探索在太阳能转化、光电器件等方面的应用。

本项目针对大晶格失配度下贵金属/单晶半导体（II-VI族等）核壳结构的微纳制造新方法及新原理，并在大规模制造的基础上，实现了壳层半导体材料的成分、异质界面、结晶度等的有效控制。这些微纳制造是实现Plasmon-exciton的耦合以及在光催化、光伏、光电器件等应用的必要前提，具有很强的原创性、前沿性和理论、应用研究价值。首先，在国际上我们首次开发了多种膦配体引发的离子交换反应在此类核壳纳米晶的微纳制造新方法和新原理，并因此实现超过临界尺寸限制的超厚半导体壳层在不同形貌的Pt、Au纳米颗粒上的单晶非外延生长，组分调控和核壳结构到异质二聚体结构的精确形貌演变；其次，在核壳结构精确调控、宏量制备核壳纳米晶的基础上，实现了Plasmon-exciton耦合引起的plasmon增强的高效的光催化分解水产氢性能，产氢性能达到24mmol/g/h；再次，将此非外延生长机理扩展到单晶半导体在刚性/柔性金属衬底上的非外延生长，取向连生组装到厘米量级，研究了其在柔性电子器件、光伏器件等方面的潜在应用，为解决量子点表面有机阻挡层阻挡电子的有效传输提供了解决方法。这些异质纳米晶在不同衬底上的大面积超晶格组装以及在激光作用下的电子动态调控研究成果，成为参与重大集成项目”纳米尺度电子动态调控的超快激光微纳米加工新方法”的重要基础。