金属氧化物纳米薄膜微观结构调控及电荷传输性能研究

Charge transport property of nanostructural metal oxide film is a limiting factor that determines performance of microelectronics, optoelectronics, and energy conversion and storage devices. However, the underlying electron transport mechanisms remain only partially understood. Microstructures of metal oxide have significant effect on the charge transport properties. In this proposal, by choosing one dimensional nano-structural TiO2 film as a research model. we will systematically study the dependence of charge transport properties on microstructure. Hydrothermal and solvothermal methods will be used to prepare nano-structural film with controllable nanocrystal morphology, crystallographic orientation and crystal grain boundaries. Analyze the reaction process parameters on the growth of microstructure, and understand the growth mechanism of different nano-structural films. Study the influence of various microstructure on charge transport properties by using transient current spectroscopy, intensity-modulated photocurrent spectroscopy, and impedance analysis techniques,uncover the structure-activity relationship between film microstructure and charge transport properties. This project will provide a theoretical and experimental basis for comprehensive understanding of the charge transport mechanism though nano-structural metal oxide film; it will help to control and improve the performance of the nanostructureal metal oxide based microelectronics, optoelectronics, energy conversion and storage devices.

金属氧化物纳米薄膜材料的电荷传输性能往往是决定微电子、光电能量转换和存储等器件功能的关键因素。然而目前人们对电荷在纳米薄膜中的传输机理认识仍不全面。薄膜的微观结构对其电荷传输性能有着重要影响，本项目以二氧化钛一维纳米薄膜材料为研究模型，通过对薄膜的微观结构进行调控，系统地研究微结构与电荷传输性能之间的构效关系。选择水热/溶剂热方法制备微观晶粒形貌、大小、晶格取向以及晶粒连接方式（晶粒界面）可控的纳米薄膜材料，分析反应过程参数对微观结构的影响规律，揭示不同纳米结构薄膜的生长机理。利用瞬态光伏、光强调制光电流、阻抗等分析技术研究薄膜各种微结构对电荷传输性能的影响规律，揭示它们之间的构效关系。本项目将为全面理解电荷在金属氧化物纳米薄膜中的传输机制提供理论和实验依据，将有助于调控和提升基于纳米薄膜材料的微电子、光电子、能量转换和存储等器件的性能。

金属无机氧化物半导体材料在光电化学器件的发展中有非常重要的应用。承担着传输自由电荷以及为电化学反应和电荷转移提供界面等重要功能。因而，电极的微观结构，比表面积，电荷传输性能以及它们之间的构效关系对构筑高效光电极就显得尤为重要。我们设计并可控合成了一系列新颖的具有特定微观结构的纳米电极结构，采用瞬态光电流谱、光强调制光电流谱，以及电化学阻抗分析技术，研究了这些结构的电荷传输性能，并研究了其微观结构，比表面积，电荷传输等性能之间的构效关系，最后探索了这些电极结构在应用于光电器件中时，这些构效关系规律对于器件性能的影响。. 本项目从无机金属氧化物半导体光电极的电荷传输性能入手，对微观结构和性能之间的构效关系等基础问题进行探索，设计和合成具有高效光电性能的光电极结构。所制备的一系列新颖的电极结构不仅具有相对较大的比表面积，还具有快速的电荷传输性能。这些电极结构材料在未来的高效光电化学器件构筑中非常有潜力，也为未来设计高效光电极材料结构提供了研究基础。项目截止目前共发表SCI论文19篇，其中包括J. Am. Chem. Soc.，Nano Lett.，Chem. Sci.等具有国际影响力的高水平杂志；申请专利3项，已授权1项；项目实施期间，共有3名研究生毕业。