多级耦合结构半导体纳米纤维的可控制备及器件基础

Due to the unique guiding role of electrons, one-dimensional semiconductor nanomaterials have very important application in the perception, collection, conversion, transportation and treating process of informations. This project, based on the success in developing a novel FET of Anatase/Rutile multi-stage coupling structured nanofibers with high mobility and stability, is aimed to obtain novel FET and sensor devices with excellent comprehensive properties in application and elucidate the relationship between multi-stage coupled structure and device performance in theory. The semiconductor nanofibers with multi-stage coupled structure can be produced via electrospinning technique combining with solvothermal reaction or controllable polymerization. And then evaluate the performance of the FET and sensor devices. Study the effect of material structure, size and other controllable factors to the device performance. Find out the influence rule of energy level matching approach, interfacial effect and doping on the electrical characteristics such as electronic-hole separation, migration of carrier and so on. We optimize the device preparation process standards and theoretical system in order to obtain a common new method to improve the performance of the device, which can provide a novel idea to explore the unique properties of mesoscopic system, and a new way to design and manufacture of high performance semiconductor devices.

一维半导体纳米材料由于具有独特的电子导向作用，在信息感知、采集、转换、运输和处理过程中具有非常重要的应用。本项目在成功研制出高迁移率和高稳定性的Anatase/Rutile多级耦合结构纳米纤维FET的基础上，以获得综合性能优异的FET和传感器为应用目标，以阐释多级耦合结构与器件性能之间的关系为理论目标，利用静电纺丝技术结合溶剂热、可控聚合等方法制备具有多级耦合结构的半导体纳米纤维，组装FET和传感器两类基础元件，检验器件性能，研究不同材料的结构、尺寸可控因素以及对器件性能的影响，研究不同结构材料之间的能级匹配方式、界面效应、掺杂等对电子-空穴分离以及载流子的迁移等电学特性的影响，完善器件制备的工艺标准和理论体系，以期获得提高器件性能的普适性新方法，为探究介观系统的一些独特性质提供新思路，为高性能半导体器件的设计和制造提供新途径。

多级耦合结构半导体复合纳米纤维既保留了电纺纳米纤维独特的一维结构优势，又兼具了表面其它纳米结构、耦合方式的开放结构以及异质结界面优势，为复合纳米纤维的光学、电子学、电化学等应用提供了丰富的材料设计思路和性能调控策略。在本项目资助下，我们开展了包括MoS2/TiO2异质结构纳米纤维、Pr 掺杂ZnO 纳米纤维、CNFs@SnO2复合纳米纤维、CNFs@TiO2-MoS2三元复合纳米纤维、导电粒子修饰CNF@MoS2多级结构纳米纤维、PAN/Ag/AgX复合纳米纤维、Ni(Co)MoS修饰CdS纳米棒、碳纤维负载层间距扩展MoS2纳米片等在内的多种无机/无机复合纳米纤维、无机/有机复合纳米纤维的可控制备，分别考察了耦合结构纳米纤维用于电学气敏元件、光学气敏元件、光催化、电化学储能、电化学催化等性能。研究发现微量金属元素原位掺杂一方面可以调控纤维表面耦合结构形貌、同时还可以调节半异体的带隙结构，改变光生载流子的分离、输运特性；构筑p-n异质结可显著调节半导体材料的氧负离子耗散层厚度，优化气体传感性能；对纤维表面二维材料的层间结构精细调控，可以增加电化学活性位点、促进电解质离子的接触扩散等。另外，我们还利用高分子纳米纤维或者碳纳米纤维的柔性、自支撑性开发了多种性能优异的柔性、自支撑性电极材料，拓展了耦合结构纳米纤维的新应用。