压电核壳纳米阵列的构建及换能特性研究

With the development of Piezotronics, semiconductor materials play important role in nano-electronic and nano-optoelectronic devices. Due to the ordered structure, the nanoarrays reflect the group effect, the synergistic effect and the coupling effect. The functional complementation and performance optimization of different materials can be realized through the design of core-shell nanostructure. The project is focus on the piezoelectric properties of core-shell nanoarrays. Detail researches about the preparation of core-shell nanoarrays, carrier transport properties, the modulation of bandgap and the piezoelectric property are also carried out. The purposes are to understand the thermodynamic/dynamic growth mechanism, to clarify the carrier transport property, and to realize the modulation of piezoelectric property of core-shell nanoarrays. The objective is to establish the intrinsic relationships among materials structure, band gap and piezoelectric property. The goal is to obtain the novel materials with high energy conversion efficiency. The research is important for the design application and evaluation of novel core-shell nanoarrays.

随着压电电子学的发展，压电半导体材料在纳米电子和光电子器件中发挥着越来越重要的作用。有序结构的纳米阵列在体现纳米结构单元集体效应的同时也反映出协同效应、耦合效应等。设计制备具有核壳结构的半导体纳米复合材料可以实现不同材料的功能互补和性能优化。本项目以压电半导体核壳纳米阵列为研究对象，深入开展核壳纳米阵列的制备、异质材料带隙调控特性、载流子输运特性及压电特性等方面的研究，旨在理解核壳纳米阵列的生长机制，探索半导体带隙结构的有效调控方法，明晰核壳纳米结构材料载流子输运机制，实现核壳纳米阵列结构对材料压电特性的调控，最终建立材料结构、带隙结构和压电特性三者之间的内在关联。目标是获得具有高换能效率的新型压电材料。项目研究对于新型核壳纳米阵列材料的设计、应用及评价有重要意义。

拥有不同的禁带宽度、电子亲和能、介电常数、吸收系数等物化参数的两种材料，通过形成异质结构可以改变材料力学、电学、光学、表面化学等性能，从而具备一系列可调的优良性质。材料成分和结构不同的异质半导体形成复合材料会导致其能级结构的改变，从而影响材料中载流子浓度和迁移率，进而调控材料性能。本课题分别采用化学气相沉积法（CVD）、静电纺丝法和化学液相合成法等制备具有特定形貌的半导体纳米材料，通过近一步原位还原或液相复合等方法设计制备复合半导体纳米材料，对其能量转换特性，敏感特性及光催化特性进行研究，明晰了材料组成-结构-性能-应用之间的内在联系。取得的主要研究结果包括以下3个方面：（1）CVD法制备ZnO纳米线阵列用于微纳器件：依次通过聚合物填充，表面蒸镀电极和聚合物溶出等工艺成功制作出ZnO纳米线真空压力传感器件并对其在不同气压下的电流输出特性进行研究；通过改变器件制作工艺，采用对温度敏感的PANIPAM高分子凝胶对其填充，获得温度-形变-电性能相互转变的能量转换器件；通过低温硫化的方法成功制备出ZnO@ZnS核壳纳米线阵列，并研究了其光致发光性能和压电性能。（2）氧化石墨烯/半导体氧化物复合气敏材料研究：通过氧化石墨烯和ZnO纳米片及SnO2纳米纤维复合，分别实现两种材料对丙酮和甲醛气体的高效检测。（3）二维MoS2新型纳米材料的研究：通过CVD法成功制备出少层结构的二维MoS2薄膜材料，通过聚焦离子束(FIB)对其进行逐层减薄和图案化，实现纳米尺度的调控；通过化学超声剥离的方法获得MoS2纳米点，实现了对TiO2纳米材料的改性，实现其可见光下催化降解有机染料。相关研究具有一定的应用前景和重要的学术价值。在课题资助下发表标注基金资助的论文17篇，申请发明专利3项，其中授权1项，培养硕士毕业生4名，其中两名同学获得校级优秀毕业生。