电子耦合的纳米晶超晶格薄膜的制备及其电学性能研究

We propose a novel in situ ligand-exchange strategy based on the liquid-air interfacial assembly approach we recently developed for the growth of large-area nanocrystal superlattice films. This in situ ligand-exchange process involves chemical treatment of the pre-assembled nanocrystal superlattice films at the liquid-air interface with short ligands, enabling the efficient removal of long chain organic ligands from the nanocrystal surface, while retaining the film's integrity as well as the local nanocrystal ordering.The removal of long chain ligands leads to electronically-coupled nanocrystal superlattice films with significantly improved electrical transport properties. The influence of different short ligands used for surface treatment as well as the interparticle spacing on the optical and electrical transport properties of nanocrystal films will be systematically studied, the feedback of which will direct the optimization of film properties. At the same time, for real applications, we will further focus on the study of molecular metal chalcogenide ligands in surface treatment of semiconductor nanocrystal films, with the aim of fabricating all-inorganic nanocomposite films that have great potential applications in electronics and optoelectronics. The in situ ligand-exchange approach proposed here will open the door for electronically-coupled nanocrystal superlattice films, enabling a deep understanding of the intrinsic properties of nanocrystal superlattices and paving the way towards high-performance, flexible electronic and optoelectronic devices.

在前期掌握的气液界面自组装大尺度纳米晶超晶格薄膜的基础上，本项目拟发展一项全新的原位配体交换技术：利用短配体对漂浮于液相表面的纳米晶超晶格薄膜进行化学改性处理，在保持薄膜完整性和纳米颗粒排列有序度的前提下有效去除颗粒表面原有的长链表面活性剂配体分子，从而获得电子耦合、具有优良电学性能的纳米晶超晶格薄膜。本研究将系统考察不同配体改性和颗粒间距等对超晶格薄膜光电性质的影响，通过改变纳米颗粒的表面化学性质优化薄膜性能；同时，以应用为导向，重点研究分子金属硫化物配体对半导体纳米晶超晶格的处理效果，开发在电子和光电子领域中具有重要应用价值的全无机纳米晶复合薄膜。本研究提出的原位配体交换技术为成功制备电子耦合的纳米晶超晶格薄膜开辟了一条普适、有效途径，对研究纳米晶超晶格的固有特性及开发高效、柔性的电子与光电子器件具有重要意义。

纳米晶超晶格在电子与光电器件、能源存储与转化等诸多领域具有重要的基础研究与实际应用价值，然而纳米晶表面的长链绝缘配体严重限制了颗粒间的电子耦合作用，阻碍了电子在超晶格材料中的传输性能，极大限制了超晶格在电子传输相关器件中的应用。如何在保持纳米晶超晶格结构有序性的前提下增强电子输运性能是拓展超晶格材料应用领域的先决条件。在本项目中，我们基于气液界面组装技术，发展了原位配体交换技术，利用短链配体对浮于液面上的超晶格薄膜进行化学修饰，在保持纳米晶超晶格薄膜结构完整性的前提下大大缩短了纳米晶颗粒间的距离，首次获得了强电子耦合的超晶格薄膜，所得薄膜可用于制备场效应晶体管等电子器件。除此之外，针对传统自组装纳米晶超晶格组分受限、导电性差的问题，我们巧妙的利用纳米晶表面固有配体碳化的特点提出了一条全新的制备超晶格的思路，实现了传统自组装方法难以制备的碳包覆纳米晶超晶格；该方法突破了超晶格的组分限制，所得超晶格材料的电学性能有了极大改善，在能源存储与转化器件中显示出潜在应用价值；超晶格高度有序的结构特点也使探索纳米晶的结构和形貌演变规律等关键科学问题成为可能。在此基础上，我们从自组装Fe3O4纳米晶超晶格出发，发展了一系列高度有序介孔石墨烯骨架衍生材料，将纳米晶与介孔碳两种材料体系链接起来，进一步拓展了超晶格材料在储能和电催化中的应用。通过本项目的研究，以通讯作者在包括Chem. Rev.、Nat. Commun.、JACS、Angew. Chem. Int. Ed.等在内的学术期刊发表本项目资助论文22篇；申请国家发明专利6项，其中2项已授权。通过本项目的研究，我们培养博士后2名，培养（包括联合培养）博士研究生5名，其中2名毕业，培养（包括联合培养）硕士研究生8名，其中4名已毕业。