孪晶碳化硅纳米线的能带结构和光催化机理研究

孪晶超晶格结构减少了载流子的自由度，改变了K空间的能带结构，表现出量子尺寸效应。半导体光催化材料的催化性能往往与其能带结构及表面相结构等因素有直接关系。最近对孪晶碳化硅纳米线的初步研究结果表明，纳米线的光催化性能与其孪晶结构及表面相结构等因素相关。本项目将纳米线孪晶超晶格结构与其光催化性能关联，深入分析孪晶SiC纳米线的能带和表面相结构特点，研究其光催化分解水和降解有机物的性能，并在此基础上，阐明光激发、载流子输运和表面反应与孪晶量子阱结构、堆垛层错密度、表面相结构间的关系，建立孪晶半导体纳米线光催化机理模型，为新型可见光催化剂的开发提供研究思路。

近几年，作为新型的光催化材料，碳化硅半导体材料由于合适的带隙宽度、高的电导率和物理化学稳定性等特点，其研究受到越来越多科研工作者的关注。本项目采用碳热还原法制备SiC纳米线，并通过多种工艺实现了多元形貌一维SiC纳米材料的可控制备。提出了碳热还原法SiC 纳米线的两步气-固反应模式和氧辅助下的螺型位错生长机理，并在此机理的指导下，通过为纳米线生长提供充足生长空间，成功实现了SiC 纳米线的宏量制备。通过高分辨透射电镜观察纳米线形貌和微结构，分析堆垛层错和孪晶缺陷；结合UV-vis吸收光谱与发射光谱，研究了SiC纳米线的能带结构特点；研究表明：SiC纳米线为宽带隙间接半导体，禁带宽度约为2.85 eV，较其体单晶(2.23 eV)的带隙宽，与通过光致发光谱计算得到的带隙宽度(2.65 eV) 较为接近，差值可能为斯托克斯位移所致。分析了孪晶结构SiC纳米线可见光光催化降解亚甲基蓝的性能，5个小时的辐照时间后降解率达到95%。揭示了纳米线的表面相结构特点对降解目标物的影响规律，提出了提高光催化效率的方法。进行了孪晶结构SiC纳米线光解水的实验。研究还发现光催化后，碳化硅纳米线表面的氧化层增厚，表面氧化层对于光生电子-空穴对的分离和催化效率的提高具有重要意义。项目的实施为新型碳化硅可见光催化剂的开发提供了研究思路。