基于Cu2O微纳米晶杂化材料的构筑、能带调控及其传感机理研究

The tuning of Cu2O band structure is important for designing sensor devices. The materials such as ZnO and gaphene are intruduced into the surface of the Cu2O to build novel composite using theoretical simulation and microfabrication technology, based on surface functional modification. Firstly, the band structure of the Cu2O is modulated by the crystallographic plane, dopant and defect using density functional theory. Secondly, different morphologies based on micro/nano Cu2O nanocrystals are synthesized using water/oil two phase method. The heterogeneous interface based on Cu2O/ZnO, Cu2O/graphene is conducted by the self-assembly technology. The electron transport property of the Cu2O is investigated by nonequilibrium green's function theory. Thirdly, the Cu2O compounds are used to detect probe molecule, and the interaction mechanism is investigated in the superstructures and complex systems. Finally, novel sensor device is designed through simulation to validate the theoretical results. Comparing with the conventional research on Cu2O, the study combines the manipulation of the band structure and the electronic transport properties, theory and experiment, expected to prepare the structure and properties of new cortrollable Cu2O materials and sensor device.

调控Cu2O的能带结构对设计以Cu2O为基础的传感器等具有重要意义。本项目以表面功能化设计为基础，采用理论模拟和微纳加工技术，将氧化锌、石墨烯等引入Cu2O晶体结构的表面，构筑新型Cu2O基复合材料。首先，采用第一性原理系统研究Cu2O的能带结构变化，探索晶面能量趋向以及缺陷、金属掺杂等因素对Cu2O的能带影响；其次，根据理论指导结合水油两相法设计合成不同晶面和形貌Cu2O微纳米晶结构，并采用自组装技术构建Cu2O/ZnO、Cu2O/石墨烯等异质界面，利用非平衡态格林函数的方法研究体系的电子输运性质；再次，将Cu2O基复合物应用到分子的检测中，研究超结构和复合体系与探针分子的作用机理；最后，根据理论模拟设计新型传感器，验证理论模拟结果。与传统金属氧化物合成与性能研究相比，该研究统筹了能带调控和电子输运性质，将理论和实验相结合，有望设计并制备结构、性能可控的Cu2O基新型功能材料和传感器件。

金属氧化物基半导体材料在传感器和储能器件中应用属于当前的研究热点领域。本项目重点围绕环境安全和能源发展的重大需求，针对传感器检测探针分子响应慢、灵敏低、工作温度高及储能器件系统能量密度低等问题，开展新型过渡金属氧（硫）化物材料的相关研究。提出胶束限域微乳液的材料合成方法，精准合成系列过渡金属氧（硫）化物材料，进行了气体传感和能源转化领域的研究。主要研究内容有：1）提出了一种基于胶束限域微乳液的材料可控合成策略，探明了胶束形态、反转与晶体结构的构效关系，解决了其微结构包括结构、组成、晶相、应变等难以精准调制的关键技术，创制出不同形貌的Cu2O材料纳米单元组装的多级结构等半导体材料，实现了过渡金属氧（硫）化物材料的精准合成。2）通过简单的水热法成功地制备出了以Cu2O为主体材料的Cu2O-TiO2异质结、Cu2O-还原氧化石墨烯、Cu2O/ZnO等材料，并分别对不同比例的异质结材料进行了光催化性能的研究，有效地提升了其光催化产氢性能。3）将第一性原理与胶束限域微乳液的材料合成技术相结合，发现了合理设计和精准构筑二维 ZnO基材料的规律，创制出水仙花状、银耳状、双血小板状等ZnO基杂化材料，提高其对NO2、苯胺、三乙胺等胺类气体的灵敏性，解决了快速、高灵敏、高选择性及较低工作温度下检测危害气体的关键技术问题。4）利用油-水微乳液法，可控制备单分散蛋黄-蛋壳结构的O-MoS2微球，研究硫空位对Pt纳米颗粒生长的作用及由此引起的电化学产氧活性的变化情况。本项目的开展为推动无机金属氧（硫）化物的的精准合成和功能化做出了贡献，拓展了该类材料在传感、光催化、电催化等领域的应用。已发表学术论文27篇，其中包括Nano Energy, J. Hazard. Mater., J. Mater. Chem. C, Sens. Actuators B: Chemical等国际知名期刊上。