光电特性导向的含铋晶态半导体氧化物的可控制备及结构调控

In this project, based on the photoelectric characteristic functional orientation, originating from the [Bi-O]+ cations, we aim to develop phase- separation functional molecule turnied hydro-/solvothermal method and other approaches to develop controllable preparation of Bi-based crystalline semiconductor oxides by combining with metal-oxide or halogen anion units. Changes of the volume ratios of water/organic, reactive temperature and time,functional molecule kinds and content and so on are considered, as well as introducing some proper anion units into the unit cells to turn the structure and crystalline phase of Bi-based crystalline semiconductor oxides, then to alter the superior photoelectric characteristic under wide spectral response from ultraviolet to visible to infrared regions. We try to utilize various advanced techniques, such as atmosphere controlled steady-state/transient-state surface photovoltage spectra, time-resolved photoluminescence, extended X-ray absorption fine structure and DFT theoretical simulation, to explore the principal affecting factors, including structure and envrionment of the photoelectric characteristic of Bi-based crystalline semiconductor oxides in depth, and then to reveal the internal relationships between the unit cell and photoelectric characteristic. Through these turning methods, we can deeply insight into the controlled synthetic methods and structure turning strategies for the photoelectric characteristic functional oriented Bi-based crystalline semiconductor oxides. This project is of great significance to develop the photoelectric functional unit theory and to deepen the understanding of the photoelectric function and the primitive essences of crystalline oxides. Moreover, it would further enrich the preparation for crystalline inorganic semiconductor oxides.

本项目以光电特性为功能导向，以含铋[Bi-O]+阳离子为源头，拟发展功能分子调制的相可分离的水热/溶剂热法等实现与其他金属-氧的或卤素等阴离子单元的含铋晶态半导体氧化物的可控制备。改变水/有机相体积比例、反应温度和时间、功能分子种类和用量等，并考虑在结构基元中引入合适的其他阴离子单元等对其基元结构及晶相等进行调控，进而实现从紫外光－可见光－红外光宽频谱范围响应的优异光电特性的调控。试图利用气氛可控的稳态/瞬态表面光电压谱、时间分辨的光致发光谱、X射线吸收精细结构谱和理论模拟术等，深入研究并揭示影响含铋晶态氧化物光电特性的主要结构和环境因素及结构基元与其光电特性的内在关系，进而深入洞察以光电特性为功能导向的可控制备含铋的晶态氧化物的合成方法及结构调控策略。此项目将对发展光电功能基元理论、深化对晶态氧化物光电功能特性及基元本质的认识等具有重要的科学意义，也将进一步丰富晶态无机氧化物的制备科学。

本项目以光电特性为功能导向，开展了具有高光电响应的含铋晶态氧化物半导体的可控制备研究。深入研究并揭示了影响含铋晶态氧化物光电特性的主要结构和环境因素及结构基元与其光电特性的内在关系，为光电特性导向的含铋晶态半导体氧化物的可控制备方法和结构调控等奠定科学基础。提出和发展了可控制备含铋氧化物半导体的方法，及宽带隙纳米氧化物平台调控光生电子的改性策略，结果显著地改善了光电特性。提出和发展了“功能分子桥”引入策略，进而有效地改善了含铋氧化物半导体基纳米复合体的光电特性及光催化性能。主要通过发展的无机-有机两相法、功能分子辅助水热溶剂热法和离子交换法等，可控制备了BiOBr纳米片、Bi2O3纳米片组装微球、BiVO4纳米薄片等，并进一步采用湿化学法、一锅法等与SnO2、TiO2等构筑维度和电子结构匹配的复合纳米半导体氧化物。通过可见光激发的高水平能级电子到纳米SnO2、TiO2等的非常规有效空间转移过程来延长载流子寿命、促进光生电荷分离，进而提高其光电响应。进一步在组分间引入硅氧等电子桥，促进复合体间电子的传输，进而改善（高能级）电子的转移效率，提高其光电响应。同时，本项目根据当前的研究热点，也将发展的电子调控策略成功拓展到其他光电响应半导体体系。利用时间分辨的光物理技术、光电化学分析技术和理论模拟等，深入地揭示新型高光电响应纳米半导体在可控制备及应用过程中的基础科学问题，进而洞察其中的重要控制步骤及进一步提高光电响应的可行途径。目前共发表SCI论文22篇，申请国家发明专利4项，取得较好的学术反响。项目团队非常重视队伍建设和人才培养，尤其是年轻骨干的团结合作精神和创新能力等的培养，项目主持人井立强教授获批2017年教育部“长江学者”奖励计划，项目组其他成员也获得黑龙江省省级人才奖励计划支持。团队注重学术合作和交流，拓宽研究视野，多次在国内外重要相关学术上做大会报告和邀请报告。项目组已经较好地完成了申请时所提出的预期目标。