基于界面调控的金属—半导体异质结的合成及光电性能研究

Metal-semiconductor heterostructures are promising multifunctional hybrid materials in a variety of potential applications, including photovoltaics, optoelectronics, and photocatalysis. However, there appears to be seldom preferential oriented relationship between metal and semiconductor, largely resulted from their incompatibility in crystal structure, bonding, lattice mismatch, and interfacial energy. Therefore, it is still lack of understanding about the interface structure and its chemical bonding, which is a major limitation for controlled synthesis of metal-semiconductor heterostructures. Here, we proposed to investigate the interface structure and the corresponding alignment relationship between metal and semiconductor by creating clear interfaces via seeded growth of various metals on semiconductors with specific exposed flat surfaces. With the help of the defined alignment relationship, we plan to synthesize metal-semiconductor heterojunctions with complex morphologies and architectures, especially branched heterostructure and hierarchical nanostructure. Finally, it is expected to reveal the influence of the nature of the metal-semiconductor interfaces on their optoelectronics performance by investigating the photo-excited carrier dynamics and the photocatalytic performance enhanced by plasmon-induced hot electron injection.

金属—半导体异质结是一类重要的多功能杂化材料，在光伏、光电子学和光催化等领域显示出重要的应用前景。然而，金属与半导体在晶体结构、成键类型、晶格失配、界面能等方面存在着巨大的差异，因此两者间极少形成具有外延关系的异质结。这导致我们缺乏对两者间所形成的界面结构的理解，并极大地影响了金属—半导体异质结的可控合成。本项目提出以具有不同暴露面的半导体纳米材料为晶种合成具有清晰界面的金属—半导体异质结，从而研究界面结构和材料晶面间的取向关系。利用筛选出材料间的取向关系，采用晶种生长法设计合成具有复杂形貌及构型的金属—半导体异质结，特别是多枝状和分级异质结。通过对比研究具有不同界面结构的金属—半导体异质结，对其光生载流子的动态学机制和光电性能（尤其是等离激元诱导的热电子注入增强的光催化性能）的影响，以期进一步揭示异质结界面结构与其性能之间的构效关系。

异质结不仅能整合其单一组分的功能，而且由于组分间的界面耦合效应使得其展现出更为优异的性能，在光伏、光电子学和光催化等领域显示出重要的应用前景。异质结的构型与组分间的界面结构密切相关，这也是可控合成异质结的关键。本项目着眼于采用界面调控的方式构筑了一系列具有多种构型的异质结，详细研究了它们在光电器件与光催化中的应用。项目取得了以下代表性成果：1)发展了调控半导体纳米晶形貌和晶相的策略，研究了金属颗粒在其表面的沉积行为，发现了一种将半导体纳米晶转化为中空无定形结构的新途径；2)以具有特定暴露面的金属纳米颗粒为晶种成功构筑了具有高度对称结构的金属—半导体异质结，明确了金属与半导体在界面处的取向关系，并通过瞬态吸收光谱揭示了界面结构对异质结中等离激元诱导热电子注入效率的影响；3)通过对半导体纳米晶暴露面的设计，利用外延生成的方式合成了一系列具有复杂形貌的异质结，包括超分枝结构和混合维度异质结，这些异质结相比于单一组分在光电器件以及光催化中展现出更为出色的性能。本项目合成了多种类型的异质结，揭示了界面结构在异质结构型调控中的重要作用，对异质结中界面结构与性能的构效关系有了更为深入的理解，为新型异质结的开发与应用提供了依据和参考。