光反应性增强导向的氧化物半导体掺杂的精确控制

在当今能源和环境危机的背景下，对在太阳能利用和环境清洁方面具有重要应用前景的氧化物半导体进行精确掺杂以调控其电子结构从而优化其光反应性具有重要意义。本项目将拓展我们提出的不对等n-p共掺杂新概念，探索其在一系列重要氧化物原型体系中的应用。利用多尺度理论模拟方法设计基于不同维度氧化物的新型光催化材料，揭示通过不对等共掺杂形成理想能带结构的新型动力学通道；发展微观模型描述掺杂体系的激子寿命和输运特性；利用不对等共掺杂产生离域杂质能带的特性，设计多带太阳能电池；运用第一性原理研究不对等n-p共掺杂对催化材料表面分子光反应(如分子吸附和解离)的影响；在实验上制备理论预言的具有优化光反应性的共掺杂氧化物系列结构，对其各种特性进行测试。希望在通过精确控制掺杂使氧化物半导体具有预期光催化性质和功能等方面取得实质性研究进展，并对掺杂控制非常关键的其它材料领域产生重要影响。

能源材料是当今凝聚态与材料物理中的一大领域。探讨能源材料以及相关体系的形成、低维化、物性调控与能量转换过程在该领域中占有举足轻重的地位。在这类研究中如何有效可控地在母体材料中掺入合适的杂质元素在凝聚态物理的所有分支都是一个受到广泛关注的核心问题。本项目围绕不对等n-p共掺杂这一由项目主要成员所提出的中心概念展开理论与实验研究，从传统氧化物体系扩展到新型狄拉克电子体系（包括石墨烯等二维层状材料与三维拓扑绝缘体），从不对等共掺杂扩展到对等共掺杂，从光催化扩展到太阳能电池材料，为这一概念在能量转换与相关信息材料中的应用与推广打下了坚实的物理基础，并取得了一系列原创性研究成果与多项知识产权。项目组成员通过在权威学术刊物发表文章与学术会议邀请报告的形式，也有效地加强与推广了这一中心概念在相关领域的认知度。研究组共发表SCI论文67篇，其中Phys. Rev. Lett. 10篇, Nat. Commun. 1篇，PNAS 1篇，Nano Lett. 2篇, Adv. Mater. 1篇。申请专利3项，其中1项已授权。培养博士毕业生13人（包括4名联合培养），毕业硕士生6人，博士后出站2人。