二维Cu纳米晶的“定向附着”生长机理及光电性能研究

Two-dimensional (2D) metal nanocrystals are of important application value in the photocathode field, and have been investigated frequently in the photoelectric area in recent years. Among metal nanocrystals, base metal Cu nanocrystals are of particular importance for both photoelectric industry and the fundamental photoelectric research. In this research project, 2D Cu nanocrystals will be synthesized, and the work function and quantum efficiency of the synthesized nanocrystals will be investigated subsequently. For the first time, Cu nanorods/nanowires will then be employed as monomers to synthesize 2D Cu nanocrystals through the oriented-attachment (OA) growth mechanism, the OA growth mechanism will be studied in detail, and the correlation between the surface ligands of the nanorod/nanowire monomers and the crystallinity, the size as well as the thickness of the 2D Cu nanocrystals will be investigated systematically. In addition, the effects of the crystal orientation and thickness of the 2D Cu nanocrystals on the work function and quantum efficiency of the 2D Cu nanocrystals will be studied. The project will provide new insight into the research on the high-electron-density photocathode materials, and facilitate the applications of 2D metal nanocrystals in a variety of industrial and academic fields including E-beam lithography, electron microscopy, synchrotron and free electron laser systems.

二维(2D)金属纳米晶在光阴极领域有重要的应用价值，是近些年光电研究领域的热点。尤其是贱金属Cu纳米晶，无论在光电产业还是光电基础研究领域，一直都有举足轻重的地位。本项目拟制备2D Cu胶体纳米晶，探索其逸出功及光电量子效率。本项目首次在胶体体系中以Cu纳米棒/线为单体、基于“定向附着”机理制备2D Cu纳米晶，研究2D Cu纳米晶的生长机理，探索Cu纳米棒/线单体的表面配位基对2D Cu晶型、尺寸及厚度的影响；分析2D Cu纳米晶的逸出功及光电量子效率与2D Cu晶向和厚度的关系。本研究为新型高电子密度光阴极的研究提供新的思路，促进2D金属纳米晶在电子束光刻、电子显微镜、同步辐射、自由电子激光等产业和研究领域的应用。

项目背景：.如何提高光电转化效率、最大程度上利用入射光能量是当今光电领域的一大研究焦点。当前研究的主要方向之一是通过使用纳米结构或表面改性来提高量子效率。近些年，研究者陆续制备了各种维度的纳米结构并探索了其光电性能，拓宽了光阴极的材料体系。例如，Hojeij等制备了基于零维（0D）CdSe、CdS量子点的多孔光阴极材料，Polyakov等研究了基于纳米金属槽的光阴极材料，发现由纳米槽产生的等离子体能够提高材料的光电量子效率；Zhang等通过溶液法制备了规则的Cu2O纳米线阵列结构，Liu等制备了GaP纳米线，这些一维（1D）纳米结构通常具有高光电性能，对光降解水等领域有很好的启示意义。关于三维（3D）纳米结构，最近Zhang等实现了一种海绵状的CN纳米材料，将光电性能提高了3倍。这些0D、1D和3D纳米结构虽然有助于提高光电转化效率，但其激发电子方向的不确定性使其在电子束光刻、电子显微镜、同步辐射、自由电子激光等领域的应用潜力受到限制。..主要研究内容：.制备0D、1D纳米Cu纳米棒／线，并对其进行表面改性，系统的研究Cu纳米棒/线单体的表面配位基对2D和3D Cu纳米晶晶型、尺寸和厚度的影响，探索2D和3D Cu纳米晶的“定向附着”生长机理。本项目基于胶体化学理论揭示0D、1D金属纳米晶的2D、3D自组装行为，探索多维金属纳米晶大尺寸集成的可能性，研究和挖掘低维纳米晶的应用潜力。..重要结果：.基于胶体化学法，该项目制备了高质量的纳米Cu晶体结构，通过酒石酸铜、氯化铜等简单的化学原料合成了形貌、尺寸可控的高质量纳米铜晶体材料。其中，2D铜片具有非常高的SERS性能，增强因子达到十的六次方，具有很好的光阴极应用前景。此外，还用同一个胶体化学体系合成了Cu、CuO及Cu2O纳米晶体，电化学测试表明，这些材料的超容及锂电池性能非常优异。这表明，该项目所合成的Cu基胶体纳米材料不仅具有很好的光电性能，还具有很优异的电化学性能。..科学意义：.本项目不仅为其他金属纳米晶的制备提供参考，为第四代光阴极及电化学应用的研究提供新思路，而且将有利于促进其他金属纳米晶的制备、集成和应用。