贵金属-半导体一维纳米线中表面等离子体-激子耦合效应研究

Plasmonic metal-semiconductor composite photocatalysts has excellent performance of photocatalytic activity under visible light irradiation, which is important in the applications of hydrogen production by solar water-splitting. The next few years will bring major advancements in the development of robust predictive models. This project focuses on science issues: plasmon resonance-exciton coupling effect of the metal-semiconductor heterostructure. In this project one-dimensional metal-semiconductor nanowires were prepared by electrochemical template method and their optical and fluorescence properties with different length-diameter ratio and interface location are compared in order to prove coupling effect of nano-structure. The possible results of performance changes mechanism after nanomaterials assembled in a unit, the heterojunction optimization method and nano-heterostructure scale effect are expected. Therefore the study of the project have important scientific significance in revealing the plasma photocatalytic strengthening mechanism.

基于纳米金属表面等离子体效应和半导体光催化效应的贵金属-半导体异质结是一种新型的可见光光催化材料，具有在可见光区呈现出光催化活性的优异性能，在太阳能光水解制氢领域有重要应用。但是目前仍存在催化机理模型精确建立的问题需要解决。本项目重点解决的科学问题：金属-半导体异质结界面的等离子体和激子耦合效应。拟通过电化学模版法制备金属-半导体多段一维纳米线，利用纳米线可控的长径比和界面位置，研究体系中光子的吸收，载流子的输运等性能的变化，探明纳米复合物中表面等离子体和激子耦合效应的物理本质，可望得到纳米材料单元组装成异质结后性能变化的机理以及异质结结构－性能关系等结果。因此，本项目研究对于揭示等离子体增强光催化材料的催化机理具有重要的科学意义。

项目背景：异质结纳米线具备多个异质结界面，具有很强的界面耦合效应，同时具有复合材料各组分的性能和协同增强性能以及各个组分的优异的表面效应。.研究内容：采用AAO模板辅助电化学沉积的方法，在0.2 mol/L CdSO4 、1 mmol/L SeO2、0.25 mol/L稀硫酸和0.25 mol/L Na2SO4的混合溶液中，-0.65 V下恒电位沉积，得到的纳米线中Cd和Se的化学计量比接近1:1，在1 mol/L CoSO4和40 g/L硼酸混合溶液中，-1.1 V下恒电位沉积得到Co纳米线；最后采用双槽法沉积得到了一系列的不同分节长度的Co/CdSe多层异质结纳米线，并分别通过SEM、EDS、XRD、UV-Vis、Raman和PL来表征纳米线。.重要结果：将单组分的CdSe、Co、Au/CdSe和Co/CdSe多层异质结纳米线进行光学性质分析。Au/CdSe1-X多段纳米线的紫外-可见光吸收光谱的吸收峰范围扩大。通过稳态荧光实验分析，显示Au/CdSe1-X多段纳米线，表现出荧光淬灭的现象。UV-Vis表征发现当Co片段在25 nm, CdSe片段在65 nm以上时，在650 nm左右出现了共振吸收峰，吸收光谱出现了耦合效应，与单组分的CdSe峰形相似，表明了CdSe片段在光的刺激下诱导了Co片段的自由电子的震荡，主动参与了光耦合，使CdSe片段无缝桥接；当CdSe片段在30 nm，Co片段50 nm时也出现了光耦合；Co片段150 nm以上时候却没有发现共振吸收峰，表明Co片段的存在扰乱了光耦合。Raman分析发现，201.37 cm-1为CdSe的一阶纵向光学（LO）声子模式，405.07 cm-1为CdSe二阶纵向光学（2LO）声子模式，由于纳米材料尺寸效应和应变效应导致相比于体CdSe的声子频率有所降低且与单组分CdSe拉曼光谱相比有轻微的红移。并在Co/CdSe多层异质结纳米线中，随着CdSe片段长度的缩短蓝移越明显，随着Co片段长度的增长，发光强度降低且半峰宽变宽。.科学意义：一维多层异质结纳米结构中，横跨多异质结纳米结的电子通信可以显着改变局部电子结构，导致催化、磁性或光学性质的增强。