一维组分可调镓酸锌纳米结构的制备及其光电性能的研究

一维半导体纳米材料显微结构多样、光电性能优异、应用前景广阔，其相关基础和应用研究已成为当前国际纳米科技的热点领域之一。本申请项目根据国际纳米科技发展趋势，围绕研制具有重要应用前景的光电功能器件，开展一维三元半导体镓酸锌纳米结构可控生长、光电特性研究及FET纳米器件单元构建。重点探索一维镓酸锌纳米结构的可控生长工艺及其机理，实现镓酸锌纳米结构的化学组分、结构、尺寸、形貌的精确调控；研究纳米结构的微观结构、光学和电学特性，确定组分、微观结构与光电性能之间的关系，实现光电功能设计与结构设计之间统一对应；解决器件构建中镓酸锌纳米结构组装、集成的关键技术问题，研制镓酸锌基FET纳米器件单元，拓展微纳米器件制备技术的应用空间。

本项目实施以来，项目组已成功制备出形貌单一、尺寸均匀的一维镓酸锌纳米结构。制备工艺重复强、样品的成品率高。我们详细研究了所制备的一维镓酸锌纳米结构的结构特性和磁学特性，结果表明这种一维镓酸锌纳米结构具有一定的阳离子空位。这些阳离子空位如Ga空位和Zn空位都可诱导出镓酸锌纳米结构的室温铁磁有序性，这是人们首次在三元纳米结构中发现室温铁磁有序性。合成出不同Zn/Ga原子比的ZnGa2O4纳米线，研究这些纳米线的电输运特性。结果发现：这些纳米线的电输运特性与Zn、Ga的空位浓度关系密切。具有高浓度的Zn、Ga空位的ZnGa2O4纳米线的电阻较低，而低空位浓度的Zn、Ga空位的ZnGa2O4纳米线的电阻较高。成功合成出Mn、Cr掺杂的ZnGa2O4纳米线，并发现Mn、Cr掺杂的ZnGa2O4纳米线具有室温铁磁特性。这些研究成果将成为下一步系统研究化学组分、结构、尺寸、形貌可调的一维镓酸锌纳米结构的生长工艺及其光电特性的基础。同时项目组还在以下几个方面获得重要研究进展：详细研究半导体纳米结构-还原氧化石墨烯复合物的可控合成与光催化特性；发展了一种简易的水热合成法，合成出ZnS-TiO2、CdSe-TiO2异质纳米结构；发展了一种高温升华法合成超长氮化铝纳米线，并详细研究了这些纳米线在甲醇燃料电池中的氧还原特性；详细研究CeO2纳米立方颗粒-还原氧化石墨烯异质纳米结构的可控合成与光催化特性；利用溶剂热合成法合成出一系列形貌、化学组成不同的钴硫化合物纳米结构，并详细研究了这些钴硫化合物纳米结构的结构、荧光以及磁特性；利用仿生合成技术，分别以有机大分子聚苯乙烯磺酸钠和聚苯乙烯马来酸为晶体成核与生长的模板剂，成功合成一系列形貌各异的铬酸钡、草酸钡、钼酸钡晶体，并详细研究了这些矿化晶体的生长机理和光学特性；利用正电子湮没技术详细研究了质子交换膜燃料电池中的Nafion/TiO2纳米颗粒复合膜的自由体积的数量与密度。