兰州化物所半导体阵列光生载流子定向迁移研究获系列进展

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兰州化物所半导体阵列光生载流子定向迁移研究获系列进展

2015.4.20

　　在中国科学院“百人计划”项目和国家自然科学基金支持下，中国科学院兰州化学物理研究所研究员毕迎普带领的能源与环境纳米催化材料组在半导体纳米阵列晶面间光生载流子定向迁移及选择性沉积纳米金属研究领域取得系列进展。

　　利用贵金属修饰半导体纳米阵列可有效提高其可见光吸收，增强光生电子-空穴分离效率，从而增强光催化及光电催化性能。然而，目前所报道的此类材料大都存在金属纳米颗粒在半导体阵列表面无序随机沉积。因而，如何实现金属在半导体纳米阵列不同晶面可控构建从而调控其可见光吸收及电子-空穴分离效率成为目前研究重点。

　　该课题组研究发现，在受光激发时，光生载流子在ZnO纳米线阵列{0001}和{1101}晶面间定向迁移并分离，光生电子富集在ZnO纳米线顶端{0001}晶面，而空穴聚集在侧面{1101}晶面并产生较强的正电场。利用ZnO顶端{0001}晶面光生电子聚集作用，通过光还原沉积使金属Ag纳米颗粒均匀沉积在ZnO纳米线阵列顶端。这一独特的晶面选择性生长Ag纳米颗粒可进一步促进半导体内产生的空穴-电子分离和定向传输，从而增强光电化学性能。（Nanoscale, 2013, 5, 7552）。此外，利用ZnO纳米线阵列在光激发时光生电子-空穴在不同晶面间的空间分离所产生的正电场作用，使[AuCl4]-负配位离子在光生电场驱动下定向迁移，并在ZnO纳米线侧面还原沉积形成Au纳米线，最终相互连接形成三维网络结构。光电化学研究结果表明此三维网络结构金属纳米线/ZnO纳米线异质阵列表现出优异的光电转换性能（J. Mater. Chem. A, 2014, 2,15553）。

　　最近，该团队研究发现通过施加偏压可进一步调整ZnO纳米线阵列间电场强度，从而改变AuCl4-离子在电场内定向迁移速度，实现在ZnO纳米线侧面生长Au纳米线数量及位置灵活调控。光电测试研究结果表明三维网状Au纳米线/ZnO纳米线异质阵列结构在一定组成时具有最佳光电转换性能。该研究结果可为微纳区域构建具有特定结构及功能的金属/半导体纳米器件提供一种简便可行的技术路线。相关研究成果发表在英国皇家化学会Chem Commun期刊 (Chem Commun, 2015, 51, 2103)。