一维纳米结构分段集成红外与可见双量子点的多光谱光电转换与表界面研究

The proposal focuses on the controllable integration of nanostructures and the manipulations of surface/interface used for multicolor photoelectronic conversions in functional materials and devices. In particular, we are going to assembly axial-segmentally two types of quantum dots with infrared and visible photoelectronic resonance onto one-dimensional nanostructures with excellent electronic transport, and then convert infrared and visible photons by using nanostructure integration and surface manipulation. During the studies on multicolor photoelectronic conversions based on integrated nanostructures, the following key challenges need to be resolved in this proposal: i) intrinsic correlations between carrier transport or photoelectronic conversion and nanostructure surface/interface, ii) axial assembly of two types of quantum dots onto one-dimensional nanostructures. Such investigations on integrated nanostructures and surface/interface will open up significant steps for multicolor photoelectronic conversion based on quantum dots and one-dimensional nanostructures, and for a major breakthrough on axial integration of two types of quantum dots onto one-dimensional nanostructures. Moreover, the proposal will bring out new opportunities for achieving multicolor photoelectronic conversion based on nanostructures. By studying the actions and relations of nanostructures and surface/interface, we will discover alternative mechanism and process of light-harvest, charge separation and carrier transport in nanostructure and surface used for multicolor photoelectronic conversion. The proposal is based on some important progresses on nanomaterials, assembly and photoelectonic devices, and advanced scientific equipments we have. We also hope to obtain novel mechanism and technologies for multicolor photoelectronic conversion devices based on nanostructures.

本项目面向多光谱光电转换材料与器件中纳米结构集成和表界面，特别是把可见和红外响应的两种量子点对光子的调控能力与一维纳米结构对光生载流子的输运能力进行有效组合，结合分段集成和表面调节实现可见和红外波段光能的同时转换。项目旨在通过多学科交叉研究红外与可见波段的两种量子点在一维纳米结构上的分段集成，以及光电转换中的表界面作用，解决光生载流子在集成结构中表界面的迁移和两种量子点在一维纳米结构上的分段集成等关键问题。期望通过纳米结构集成与表界面对多光谱光电转换的作用规律研究，解决基于纳米集成结构的多光谱光电转换等难点问题，为多光谱光电转换器件提供新结构和新原理，拓展纳米结构中光吸收、电荷分离和光生载流子输运过程中的调控新思路和新途径。本项目前期在纳米材料，纳米结构集成和光电器件研究等方面都有坚实的基础，并拥有运行良好的实验平台，通过项目实施掌握基于纳米结构的光电转换新途径和多光谱光电器件新技术。

本项目面向基于纳米结构的多光谱光电转换材料与器件，旨在通过纳米结构与表界面调控的研究，探索基于纳米结构的纵向集成复合以及多光谱光电转换等难点问题的解决方案，为光电功能材料与器件提供新的思路和途径。本项目着重研究了如何在一维纳米结构上集成复合不同量子点结构；以及表界面在集成复合与光电特性中作用。本项目的主要研究结果与进展包括：1）通过物理化学方法实现了ZnO纳米线与TiO2纳米管，以及PbS与CdSe量子点等纳米结构的可控制备与特性调节；2）用化学修饰和原子层沉积等调控表面的方法对不同纳米结构进行了表面控制和结构集成，获得了在ZnO纳米线和TiO2纳米管结构上集成复合PbS、CdSe或Au等量子点的复合纳米结构以及由不同金属硫族化合物纳米结构形成的异质结构；3）用不同纳米异质结构构筑了光电器件，研究了纳米结构与表界面在可见/近红外光电转换中作用。本项目通过研究不同纳米结构的表界面调控和组合集成以及金属硫族化合物纳米结构异质结，解决了不同纳米结构的纵向集成的难点问题，并揭示了纳米结构与表界面在光电转换的作用。此外，通过项目研究建立精细化控制表面和界面的方法，分析了复合结构中光电过程等物理机制。通过项目实施，完成研究目标，发表学术论文11篇，申请专利5项（已授权3项），培养研究生5名。这些研究进展和结果不但能为功能纳米材料设计和制备提供方法与依据，还将为低维材料与复合结构的光电特性和器件应用奠定基础。