异质结构材料制备过程中介尺度结构调控及反应-扩散作用机制研究

One of the challenges in realizing excellent performance of semiconductor devices relies on elaborated constructure of their heterogeneous nanostructures. During synthesis process, the formation of heterostructures is closed related to the growth and evolution process of mesoscale structures, and efficient control of the mesostructures is critical to realize heterostructures with advanced properties. Furthermore, the function mechanism of the matrix interface on the formation of mesostructures is also a key scientific issue need to be resolved urgently. In this project, compromise mechanism between diffusion and reaction will be utilized to investigate the formation and stabilization process of mesoscale structures, which is mainly derived by thermodynamically and kinetically factors during the synthesis process. Based on these investigations, the intrinsic discipline of morphology evolution of final product will be established by analyze the formation and evolution process of the mesoscale structures. Furthermore, the influences of the various heterogeneous nanostructures on semiconductors properties will be investigated by coupling the correlation between interfacial structure and their property. The proposed project is supposed to get better understand of the formation, evolution and control of mesoscale structures and their inherent function mechanism to shape-controlled synthesis of heterostructures, and provide scientific direction for further design and synthesis of materials used in efficient nanodevices, which will promotes theoretic development and actual applications of semiconductor materials to further extent.

半导体材料异质结构的有效构建是实现具有优异应用性能的半导体器件的有效途径。异质结构的生成与界面介尺度结构的形成及演化过程密切相关，因此对介尺度结构的有效调控是实现高性能复合材料的关键，基体相界面在介尺度结构形成中的作用也是亟待解决的科学问题。本项目拟从反应-扩散及其竞争的协调作用出发，探索界面介尺度结构形成及稳定的热力学及动力学因素。通过对界面介尺度结构的形成及演化过程进行解析，明确界面在不同介尺度结构生成中的作用，建立异质复合材料形貌调控的基本理论。进而研究其对材料半导体特性的影响机理，建立异质界面结构与半导体性能的耦合关系。通过本项目的研究不但能够深层认识异质结构材料制备过程中介尺度结构的形成、演化和控制机制，建立温和条件下定向构筑具有多级异质结构材料的新方法，实现材料的可控合成。而且可以探索出一条制备具有优异应用性能的半导体复合材料的新技术，推动半导体材料理论研究和应用发展。

在本项目的研究工作中，以三元层状硫化物（NaInS2，CoMoS4等）为研究对象，在系统研究其均相合成的基础上，开展了异质结构的构建及生长调控研究。通过不同反应环境下得到的异质结构的显微分析，明确了反应-扩散及其协同控制下的异质结构生长机理及形貌演变规律。研究结果显示，当体系为反应控制时，第二相易于以颗粒形式负载在基体表面。当扩散过程成为整个体系的控制步骤时，第二相往往展现出热力学最稳定的生长习性。当体系为反应-扩散协同控制时，第二相表现出了不同的过渡态结构。同时通过TiO2阵列、泡沫镍、FTO玻璃等不同基体上的生长研究，进一步阐明了基体相界面对第二相生长过程的影响。异质结构产物形貌既决定于反应体系的自由能演化及动力学困素，又受界面间相互作用的影响，三者共同构成了异质结构独特的生长环境。同时我们对研究工作进行了延伸，通过多元反应中反应过程差异性以及物理相变过程差异性的调控，一步原位合成了MoS2/ZnS/C三元异质结构及W/Co-Ni多金属核壳结构，取得了较好的实验结果，拓展了反应-扩散协同控制的异质结构构建的应用领域。在材料形貌有效调控的基础上，进而开展了材料性能的研究工作，探索异质界面结构与材料性能的耦合关系，建立了产物性能的调控规律，得到了具有优异锂电及电催化性能的产物。