金属、半导体纳米结构修饰的硅纳米线阵列及其光电性能研究

在硅纳米线阵列中的硅纳米线表面上，修饰Ag、Au、Pt贵金属纳米粒子，制备硅纳米线-贵金属纳米粒子径向异质结阵列，调控金属纳米粒子的形貌、金属纳米粒子在硅纳米线阵列中的含量或体积分数，并研究其对光电转化性能的影响；在P型硅纳米线阵列中的硅纳米线表面上，生长n型ZnO、TiO2半导体纳米棒，制备P型硅纳米线-n型半导体纳米棒径向PN结阵列，调控n型半导体纳米棒的尺寸、半导体纳米棒在硅纳米线阵列中的含量或体积分数，并研究其对光电转化性能的影响；并探索上述两类异质结阵列作为新型功能器件，在高灵敏光电探测器、高效太阳能电池、高效太阳能光化学电池的应用。

核壳型异质结纳米线阵列，既可以充分发挥纳米线阵列结构优异的抗反射、增强光吸收的性能，又因其具有核壳型异质结界面可以在几十纳米的范围内实现光生载流子的分离和收集，利于减少光生电子与空穴的复合几率，在实现高效光电转化方面极具潜力。本项目中实现核壳型异质结纳米线阵列的途径是：先通过化学腐蚀硅片方法制备硅纳米线阵列，然后在硅纳米线外表面包裹不同类型的壳层，形成核壳型纳米线阵列。本项目主要研究结果如下：（1）实现了p型、n型硅纳米线阵列的可控制备；（2）在n型硅纳米线表面通过化学浴沉积p型氧化亚铜纳米颗粒，制得了n-硅纳米线@p-氧化亚铜核壳型纳米线阵列，该阵列作为光探测器可实现高灵敏的可见（405nm、532nm）和近红外（1064nm）光探测，其中对可见光532nm的光响应率最高为13.05 mA/W，而且，此纳米结构的n-硅纳米线@p-氧化亚铜核壳型纳米线阵列光探测器的光响应率优于平板结构的n-硅片@p-氧化亚铜光探测器；（3）通过滴涂在n型硅纳米线表面沉积带隙更窄的p型氧化铜纳米颗粒，制得了n-硅纳米线@p-氧化铜核壳型纳米线阵列，该阵列作为光探测器可实现可见（405nm、532nm）和近红外（1064nm）光的自驱动（零偏压）、超快（微秒级）光探测，另外，在小偏压下，探测器对入射光的“无”、“有”会产生光电流“正”、“负”的二进制光响应；（4）在n型硅纳米线表面通过浸渍—水解—氩气或空气退火，制得大面积的n-硅纳米线@n-二氧化钛核壳型纳米线阵列，该阵列作为工作电极用于太阳能光解水产氢。退火气氛对光解水性能有显著影响，氩气退火后光解水电流是空气退火光解水电流的6.3倍，其性能与原子层沉积法制得的n-硅纳米线@n-二氧化钛核壳型纳米线阵列性能相当；在氩气退火后的n-硅纳米线@n-二氧化钛核壳型纳米线阵列表面修饰Au纳米粒子，光解水电流达到0.9 mA/cm2，是未修饰Au粒子的3.6倍。此外，还拓展性地研究了非核壳型硅纳米线阵列异质结，通过滴涂氧化石墨烯在硅纳米线阵列表面后退火制得还原氧化石墨烯—硅纳米线阵列异质结，该异质结作为光探测器在室温下可实现从可见光（532nm）到太赫兹波（2.52THz，118.8um）的超宽带光探测。