金属氧化物半导体纳米材料氧缺陷类型相关的拉曼散射研究

The oxygen vacancies (OVs) in metal oxide nanomaterials play a crucial role in their physical characteristics such as photoluminescence, catalysis, gas sensing. Nanostructures with different OV types can be fabricated via preparation conditions changes. Many novel phonon characteristics are originated from their OV existence. The OV existing states can be widely used to analyse other physical characteristic origins. Therefore, how to characterize and analyse their OV existing states have become a crucial problem. In nanomaterials physics, the investigation to phonon characteristics of metal oxide nanomaterials with different OV types by Raman scattering have become a hot issues. In this project, several important metal-oxide semiconductor nanomaterials including tin oxide, titanium oxide are selected to disclose the effect of OV types on their phonon characteristics via Raman scattering technology, and explore their intrinsic physical mechanism from experimental and theoretical aspects. The general rule of OV appearance is summarized to deeply understand their physical mechanism, which has potential application in micro-area efficient optical measurement method for technical analysis in device design, biomedical, materials science, gas sensing aspects.

由于制备方法和条件的不同，在金属氧化物半导体纳米材料表面会产生不同类型的氧缺陷，许多物理特性（发光、催化、气体传感等）都与其存在状态密切相关。如何表征、分析这些氧缺陷的存在状态，从而为其物理特性的分析提供重要理论依据成为一个亟待解决的科学问题。虽然，利用高分辨电镜可以观察氧缺陷的存在状态，但是技术上相当困难，而且需要很高的实验成本，因此利用拉曼光谱辨别金属氧化物半导体纳米材料中氧缺陷的存在状态成为一个值得探索的技术手段。本项目将以金属氧化物半导体纳米材料SnO2和TiO2为主要研究对象，利用拉曼散射技术，重点研究金属氧化物半导体纳米材料表面不同类型氧缺陷在拉曼谱中的表现特征，通过理论模拟与谱学分析相结合的方法深入挖掘其内在物理机制，从而探索拉曼散射作为金属氧化物半导体纳米材料表面氧缺陷类型表征的一种微区高效的光学检测手段，进而为寻求在器件设计、生物医疗、气体传感等领域中的应用提供理论依据。

金属氧化物半导体纳米材料的发光、催化、磁性、气体传感等许多新奇物理特性都与表面氧空位的存在密切相关，因此探索不同类型空位的存在形式，以及相关的新奇物理特性具有重要的研究意义。本项目主要以半导体纳米材料空位相关的拉曼散射、发光、磁性研究为出发点，重点研究了空位形成过程及在拉曼谱中的特异性表现，并借此澄清了许多有争议的物理问题，进而加深了人们对半导体纳米材料中发光、拉曼散射、磁性等物理特性的缺陷调控认识。主要成果有：(1) SnO2纳米晶表面氧空位的存在会使得755 cm-1 的拉曼模式偏移到778 cm-1占据原有的Eu体模峰位。通过深入的谱学分析为我们辨别SnO2纳米晶氧空位的存在状态提供了全新的认识。(2)利用外部应力调控SnO2纳米材料表面氧空位的形成。通过结构的形变可以实现桥型、平面位、下桥位等不同类型空位形成过程的调控，为材料性能设计提供了新的研究思路。(3) 通过激光辐照的办法在TiO2纳米材料表面引起特定类型的氧空位，这些氧空位相关的声子振动模式与掺杂引起的等离激元耦合实现原有拉曼散射增加。(4) 通过不同类型碱金属元素的掺杂可以实现铅锌矿半导体材料中空位相关的磁性调控。Na、K等碱金属原子嵌入到铅锌矿半导体材料受主中（如TiO2、ZnO等），可以大大降低其阳离子空位的形成，这些阳离子空位的缺失会产生强的室温铁磁性。另外，我们还对二维半导体纳米材料的磁性、光学、电学性质进行了初步研究并且取得了一定研究成果，为后续工作开展提供了研究基础。