北理工張加濤團隊在半導體納米晶材料器件應用研究方面取得系列進展
發布日期：2019-03-08 供稿：材料學院 張加濤
編輯：邵澤 審核：張青山 閱讀次數：由形貌、尺寸調控引起的量子尺寸效應、限域效應成為納米材料領域最重要的發現之一，開始了對物質在納米尺度上的新認識，尤其是半導體納米晶材料。隨著光電、信息以及新能源應用的特征尺寸不斷減小，器件應用已對半導體納米晶材料的微納結構、異質界面提出更高的要求。在尺寸、形貌等引起物理/化學性質調控的同時，其雜質工程、能帶工程研究引起的界面調控及器件級組裝及性能應用成為瓶頸問題之一。
張加濤研究團隊在學校先進材料實驗中心（ECAM）平臺支持下，在學校創新人才專項資助計劃、國家自然科學基金資助下，從新方法、新結構、新性能角度，建立了逆向競爭的陽離子交換反應制備新方法，實現了II-VI族半導體納米晶深度位置的穩定異價摻雜及與金屬異質結構中的異質界面的精確調控合成。最近，在Plasmon增強的Au/CdSe異質納米棒近紅外（>700nm）光電催化產氫、摻雜量子點“墨水”打印及防偽應用、以及Plasmon增強的Au@CdHgTe納米棒/石墨烯近紅外光電探測器件應用方面取得系列進展。
團隊與中科院大連化物所李燦院士團隊合作，在金屬@半導體異質納米結構研究積累基礎上（Science, 2010; Adv. Mater., 2014; Angew. Chem. Int. Ed., 2015; Adv. Mater., 2016; Nano Energy, 2018; Nano Energy, 2019; J. Mater. Chem. Mater. A, 2018）通過精確調控Au/Ag核殼納米晶的硒化反應以及逆向競爭的水相陽離子交換反應，實現了從核殼結構（core/shell）到啞鈴結構（nanodumbbell）演變的Au/CdSe異質納米棒的制備及異質界面的高質量構建。得益于Au棒的縱向SPR效應及兩端的電磁場增強“熱點”以及高質量的異質界面，制備的Au/CdSe HNRs在近紅外區具有很強的光吸收特性，實現了Plasmon增強的高效熱電子注入效應。結合空間分辨的表面光電壓成像表征(與李燦院士團隊合作)，成功研發出一種在近紅外光波段具有高的吸收效率，又具有高的可見-近紅外光電催化產氫性能，且其法拉第效率高達96%的光電催化材料。光電催化產氫活性（45.29 μmol cm-2 h-1）通過5天的連續測試，沒有明顯降低。北理工的王虹智博士研究生以及大連化物所的高玉英博士研究生為共同第一作者。相關工作以“Efficient plasmonic Au/CdSe Nano-dumbbell for Photoelectrochemical Hydrogen Generation beyond Visible Region”為題，在線發表在Advanced Energy Materials (2019, DOI: 10.1002/aenm.201803889)上。
團隊基于已有的半導體摻雜納米晶/量子點研發基礎（Angew. Chem. 2015; Adv. Mater. 2015; Nature Nanotech. 2018; Angew Chem. 2018），發現了Ag摻雜CdX（X="S," Se等）等II-VI族量子點的可逆陽離子交換（Ag2X與CdX之間的可逆轉化）可多次實現有無熒光的切換。然后通過表面配體交換以及摻雜量子點分散在堿性水/乙二醇溶劑中，實現了可控粘度的“墨水”制備。進而實現了摻雜量子點在不同襯底（羊皮紙，紙幣，PET等柔性襯底）上的噴墨打印和圖案化（宏觀厘米、分米尺寸器件規模）。利用可控的熒光切換實現了更高安全性的多模式防偽應用。相關工作以“Hydrophilic Doped Quantum Dots “Ink” and Their Inkjet-Printed Patterns for Dual Mode Anti-Counterfeiting by Reversible Cation Exchange Mechanism”為題，在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201808762)在線發表。黃文藝碩士研究生和徐萌講師為論文共同第一作者。
團隊在Au@HgxCd1-xTe金屬/碲化物半導體核殼納米棒的精準合成基礎上，基于殼層材料的窄帶隙特點以及Au納米棒的表面等離子體共振效應，實現連續可調的可見光-近紅外吸收特性。與國家納米中心謝黎明研究員團隊（光電探測器件表征）、英國曼徹斯特大學Sarah J. Haigh教授（高分辨STEM表征）、香港城市大學Andrey L. Rogach教授（海外名師計劃資助）合作，利用石墨烯高載流子遷移率的特點，實現了石墨烯/Au@HgxCd1-xTe納米棒光電器件的合成。所合成的器件實現了可見光到近紅外寬波段（550-1300 nm）的高光響應效率（~106 A/W）。展示了其在紅外光電探測領域方面的應用價值。相關工作以“Au@HgxCd1-xTe core@shell nanorods by sequential aqueous cation exchange for near-infrared photodetectors”為題發表在Nano Energy 雜志上（2019, 57, 57-65）。李欣遠博士研究生為論文第一作者。
上述相關論文鏈接如下：
1、https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/aenm.201803889；
2、https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201808762；
3、https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518309364
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