过渡金属氧化物二维超细纳米异质结构的界面生长及性质研究

Semiconductor Heterostructure is a hybrid structure fabricated by combining two different semiconductors at the interface of one atomic plane. The heterostructure of two-dimensional materials have been widely used in photovoltaics, illumination, machining and wearable electronics. This proposal is intended to explore the low-temperature synthetic methods for ultrathin two-dimensional nanomaterials at the interface of liquid solution and by achieving this, continue to fabricate the heterostructures of these two-dimensional materials through epitaxial growth or mechanical transfer. Analysis on the of structure difference and property variation between epitaxial and non-epitaxial heterostructure will correlate the interface atomic re-arrangement with the hence-induced effect in charge transfer and opto-electric response, which may bring new ideas into the design of next generation semiconductor heterostructures.

半导体异质结是由两种半导体材料通过原子级的界面接触构成的复合结构。二维材料的半导体异质结构被广泛用于光伏发电，照明，制造加工以及可穿戴电子器件等领域。 申请人希望通过探索二维超薄纳米材料的低温溶液界面合成方法，进一步构建不同类型二维半导体材料的异质结构，通过低温溶液界面二次生长和人工转移方法构建二维超薄纳米材料的外延及非外延堆叠异质结构。通过分析两者的结构和性能差异，理解不同界面相原子排布导致的新的构效关系，为进一步提高现有半导体异质结的电荷转移和光电响应特性做出有益尝试。

基于功能纳米材料的异质结构在催化、传感和光电转换等领域有着广泛的应用场景。在青年基金的资助下，申请人在天津大学成功组建了自己的研究团队，针对金属氧化物体系二维超细纳米结构及其异质结的构建开展了一系列工作，加深了对于界面物理化学过程及其构效关系的理解。目前已发表学术论文9篇，培养博士及硕士研究生11人（含在读）。研究成果的科学意义和实用价值主要在以下4个方面得到体现：（1）进一步发展了由液态金属-空气界面生产金属氧化物二维纳米结构的宏量制备方法，并通过构建Sn-Bi氧化物异质界面，提升其电催化二氧化碳还原过程的甲酸产率；（2）构建了以MoS2和Mxene为代表的高电导率二维材料与高活性电催化材料相结合的异质结构，通过界面电子传输通道和缺陷位点的构造实现电催化水分解反应的优化；（3）调控合成富缺陷氧化物中空结构，拓展吸收带宽，提高光催化性能；（4）通过SnO2纳米结构的掺杂和异质结调控，调控吸附过程的载流子浓度，实现对于CO/H2S气体的快速、稳定响应。通过芯片集成工艺的探索，制成样机，用于真实厂矿条件下的实地作业。