快离子导体纳米晶催化生长II-型半导体异质结及其光电性能研究

半导体单晶异质结构没有颗粒间接触的表面界面，异质组分间拥有最紧密接触，有利于光生电荷的传输、分离。设计合成单晶异质结构对于提高光生电荷的分离是一个有效途径，也是一个亟待解决的问题。传统的溶液相途径制备半导体异质纳米结构都采用晶种法，该方法要求组分材料的晶格严格匹配，难以得到较大晶格失配和复杂的多组分的异质结构。本项目拟利用快离子导体纳米晶的"固态流体"特征，催化生长II-型单晶半导体异质结构；系统地研究影响快离子导体纳米晶催化生长半导体异质结构的关键因素，以实现可控合成；探索构筑复杂的多组分半导体异质纳米结构的方法，揭示快离子导体纳米晶的催化作用机制和初步规律。在此基础上，研究所得半导体异质结构异质界面的晶格匹配及对光生电荷的传输、分离性能；初步阐明所得异质结的组分、结构、粒径与其光电相关性能的关系，为开发具有优异光电性能的新材料及研制高性能光伏器件提供实验依据和理论指导。

异质结纳米晶中的多种组分常常有着强的耦合作用而能诱导各种新的性能。本课题利用快离子导体纳米晶的“固态流体”特征，催化生长单晶型半导体异质结构；考察异质结构的相关性能。取得的研究结果概述如下：(1). 利用各种分子前驱体在非水胶体体系里的热分解反应，实现了几种快离子导体单分散纳米晶（包括Ag2S，Cu2S，Ag3PO4 等）的制备。发现 Ag3PO4 纳米粒子具有优秀的类过氧化物酶性能。发展了一种简易的萃取途径可以将混合相硫化铜转化为纯Cu9S5相。该研究提供了一种相提纯的途径，这对于针对性合成目标晶相，特别是有着多种同质异形体的硫化物具有重要意义。(2). 发展胶体化学途径，以快离子导体 AgI，Cu2S，Ag2S 为催化剂制备了包含能带呈II型匹配的一系列 “火柴棒状”异质结如Ag2S-Bi2S3，Ag2S-FeSx，Cu2S-Bi2S3，Ag2S-CdS，Ag2S-ZnS，Cu2S-CdS，Ag2S-CoS2，Ag2S-ZnxCd1-xS，考察了异质结的光学性质。利用高分辨电子显微镜深入分析了异质界面的晶体学特征如异质外延关系、晶格失配等。发现Ag2S-CoS2异质结构有着增强的磁性能；实现了II型异质结Cu2S-CdS的简易制备及其微观形态调控，初步考察了其在太阳能电池上的应用。(3). 以粉末状快离子导体 AgI为原材料，成功地单罐单步制备了Ag-Ag2S-CdS三组分异质结。该三组分杂化异质结呈立方块状，具有高度的粒径均匀性，能自发组装成有序结构。阐明了其形成机理，其中Ag单质的形成源于Ag2S组分的部分还原，CdS的生长得益于Ag2S的“固态流体”特性。探究了其光热性能及其在生物领域的应用；发现其具有增强的光热转换性能，该增强效应主要来源于Ag2S和CdS间异质界面，这为光热剂的开发提供了新的思路——引入异质界面。(4). Ag2S的快离子导体特性还有利于以Ag2S为调制剂，制备各种Ag2S基的固溶体。研究制备了各种三元固溶体型纳米晶如Ag-Ni-S，Ag-Co-S，Ag-In-S，Ag-Ga-S，Ag-Zn-S。其中Ag-Ni-S，Ag-Ga-S，Ag-Co-S为类似于Ag2S调制剂的球形纳米晶，但Ni或Co的引入促使Ag2S纳米晶结晶性降低；发现In组分在Ag2S纳米晶中的催化生长呈现反应动力学控制特征。