低维氮化硼纳米材料原位掺杂及电子结构和输运性质调控

Low-dimensional boron nitride nano-materials has been widely used in optics, electricity, etc.，which have become one of the key and research focuses on the new generation of information functional materials and devices. Doping is an effective way to tailoring electronic and transport properties of BN nanomaterials, which is the key points to determine their application in new functional devices. However, the electronic structure and transport properties of BN low-dimensional nanomaterials cannot be effectively tailored to the current. The actual performance of the low-dimensional nanostructured BN materials have not been well studied. To address these problems, based on the knowledge of “bottom-top”, the present research project aims to in-suit doping the BN low-dimensional nanomaterials for tailoring their electronic and transport properties using organic-inorganic hybrid precursor as raw materials with the molten salt method. The following investigations will be carried out in the project: 1) The design and synthesis of the novel organic-inorganic hybrid precursor. 2) Conversion of Organic-inorganic hybrid precursors in molten salt synthesis. 3) Electronic structures, transport properties, Optical and electrical properties of doped BN low dimensional nanomaterials.4) Establish a dependency on raw material design, preparation technology, structure, and performance. The basic theory on adjusting the structures and properties by constable in-situ doping will be elucidated on the basis of the experimental results. And the Low-dimensional doped-boron nitride nano-materials will promote the development and application of new generation information functional materials and devices.

低维BN纳米材料在光、电等领域的应用备受关注，已成为新一代信息功能材料及器件的核心和研究重点之一。掺杂是优化BN纳米材料的电子结构及输运性质的有效途径，是决定其在新型功能性器件上应用的关键。然而目前还无法实现对低维BN纳米材料的电子结构和输运性质的有效调控。针对该问题，在材料“自下而上”的设计基础上，本项目拟以经过计算设计与优化的有机-无机杂化前驱体为主要原料，结合熔盐法制备掺杂型低维BN纳米材料，优化低维BN纳米材料的电子结构、输运性质及其光电性能。重点研究：1)有机-无机杂化前驱体的设计合成；2）前驱体在熔盐法合成中的转化过程；3）掺杂型低维BN纳米材料的电子结构、输运性质及其光电性能；4）建立原料设计-制备技术-结构与性能之间的相关性。通过研究为实现低维BN纳米材料原位可控掺杂，达到低维BN纳米材料属性定制奠定一定的理论基础，促进新一代信息功能材料及器件的开发和应用。

BN低维纳米材料在光、电、传感领域的应用备受关注，已成为新一代信息功能材料及器件核心和研究重点之一。掺杂是调整和优化BN纳米材料的电子结构及输运性质的有效途径，是决定其在新型功能性器件上的应用的关键。本项目采用全原子分子动力学模拟方法，使用Gromacs-4.6.7软件，对硼酸、乙二胺分子在水溶液中的相互作用进行了研究，以此为基础，以不同含氮化合物（三聚氰胺、乙二胺、二乙烯三胺、三乙烯四胺）、含硼化合物（（硼酸、硼酸钠）以及过渡、稀土（Fe、Co、Ni、Ce、La）金属盐为主要原料，制备了有机-无机杂化前驱体，并制备获得过渡金属、稀土掺杂的h-BN材料。并对其组成、结构和载流子传输性能进行了研究。实验结果结合分子动力学模拟共同表明，硼酸和乙二胺在水溶液中发生了配位反应，有机-无机杂化前驱体中存在B-N-C键，可以形成均匀的有机-无机杂化前驱体。以硼酸为硼源、三乙烯四胺和二乙烯三胺为氮源，以Fe(NO3)3·9H2O、Co(NO3)2·6H2O、Ni(NO3)2·6H2O为掺杂剂，通过湿化学法制备了有机-无机杂化前驱体。以KCl为熔盐，制备获得了过渡金属掺杂的h-BN材料，探究了不同比例过渡金属掺杂对氮化硼形貌、结构和光吸收范围和荧光的影响，发现掺杂量为2%的样品的光吸收性能最好，且能够实现全光谱吸收。而三种过渡金属中，掺杂Ni的样品具有最低的荧光强度，其电子-空穴复合率最低。以三乙烯四胺为N源，硼酸为B源，稀土金属盐为掺杂剂，合成有机-无机杂化前驱体，选择无熔盐体系和熔盐体系处理前驱体，得到形貌和性质不同的稀土掺杂氮化硼，熔盐法辅助前驱体法合成出的稀土掺杂氮化硼结晶度更好，氮化硼纳米片分散均匀，光光致发光能力大幅度提升。研究发现，使用熔盐法可以降低h-BN纳米结构的形成温度，提高其结晶度。掺杂后氮化硼中载流子传输速率均增加。研究结果表面，通过有机-无机杂化前驱体结合熔盐法，可以制备获得实现对 BN 低维纳米 材料本征缺陷控制和可控掺杂，调整BN 纳米材料的电子结构、输运性质以及光学性能。