半导体多级分枝纳米结构的定量电子显微和光电性能研究

Branched hierarchical semiconductor nanomaterials have advantaged applications in fields of nanoelectronics, photovoltaic as well as environmental sensing, benefitting for their capability of creating materials with integrated functionalities based on their anisotropic and versatile configurations. However, the quantitative characterizations on the atomic structure and defects, which have great impact on the photoelectric properties, have always been blocked ascribed to their 3D complex architectures.This project has proposed a wet chemical strategy for fabricating II-VI branched hierarchical nanostructures and their heterogeneous counterparts (such as ZnE/ZnE、CdM/ZnE (E=O, S; M=S, Se, Te)) through controlling the anisotropic growth with surfactants. Quantitative microscopy investigations at atomic scale, including exit-wave reconstruction, Cs-corrected TEM/STEM, microscopy simulation, are utilized to obtain the fine structure information, including the structure polarization, core structure, atomic defects and electronic states of surface/interface. The photoelectric properties are studied to achieve the band alignment information of the materials, such as the band gap, defect level, and mixed transitions. The precise correlation model between microstructure and photoelectric properties can be built on the basis of quantitative computations. The photon-electron coupling mechanism is discussed, which offers experimental and theoretical supports on the development of novel semiconductor nanodevices of high efficiency and distinct functionality.

多级分枝半导体纳米材料具有构型丰富、易于功能集成化的优势，在电子信息、光伏能源、环境传感等领域有独特应用。但其复杂三维构型严重制约了对其原子结构和缺陷的定量表征，限制对其光电特性物理本质的深入理解。本项目以II-VI族多级分枝纳米材料及其异质结构（如ZnE/ZnE、CdM/ZnE (E=O, S; M=S, Se, Te)等）为研究对象，在液相体系中通过表面活性剂调控材料各向异性生长，控制材料尺寸、形貌和成分；运用出射波函数重构、球差校正电镜及高分辨图像模拟等定量电子显微表征方法在原子尺度获取材料的精细结构信息，如结构极性、结点构型、表面/界面缺陷和电子态等；通过相关光电特性测量获取材料的禁带宽度、缺陷能级、混合跃迁等能带结构信息，结合模拟计算，建立准确的材料微结构与光电特性关联模型，探讨复杂结构半导体纳米材料的光电耦合机理，为高效、独特的新型半导体纳米器件的开发提供实验和理论依据。

本项目旨在探索可控制备构型丰富、易于集成的多级半导体纳米结构，测试这些纳米结构的功能特性并构建材料精细结构与物理性质的定量关联。在其资助下已取得丰富的研究成果，在国际著名刊物发表了8篇SCI论文、1篇发明专利。研究成果具体包括：.1. 乙二胺桥联ZnS层状纳米材料的结构演化及光学特性调控。.以乙二胺（EN）为单一调控剂灵活制备了ZnS纳米结构，如颗粒、纳米带、单晶纳米线以及ZnS(EN)0.5异质多层结构。基于低辐照剂量球差校正扫描透射电子显微手段对单原子层ZnS(EN)0.5的精细构型深入研究。确认不同条件下EN分子从表面活性剂到桥联模块的角色转变机制。.2. InNbO4纳米晶孔道调控光催化性能研究.采用溶胶凝胶方法制备了具有不同尺度孔洞的InNbO4纳米晶。在光解水制氢反应中的催化活性达到68.1μmol∙h-1∙g-1。使用不同的螯合剂可有效调控纳米晶尺寸、孔洞密度以及材料能带结构，从而调控光催化性质。高分辨显微分析表明2-8nm孔道尺寸对应最优催化活性。.3. Ni@Graphene核壳纳米粒子的外延生长及在硝基酚还原中的高催化活性。.运用温和液相体系在常温常压条件下制备获得了Ni(OH)2-Graphene复合纳米结构，通过热处理获得了系列尺寸Ni石墨烯复合结构。其中450oC下借助Ni(111)对石墨烯的催化效应外延生长获得了纳米尺度的Ni@graphene核壳结构。该结构在催化环境污染物硝基酚降解为硝基胺中效率达45.0 L∙g-1∙min-1。.4. Au@NiO纳米粒子的催化结构演化行为。.硼烷胺分解制氢中催化剂的稳定性一直饱受诟病。本工作用油胺体系制备NiAu纳米粒子，原子分辨显微表征发现该粒子在制氢反应中自发重构为Au@NiO蛋黄结构。这一独蛋黄构型在催化硼烷胺分解中的循环稳定性达到200次水平。.5. RDX敏感含能材料的电子显微表征。.含能材料在高能电子束下格外敏感，因而一直难以借助电子显微获得高分辨结构信息。本工作利用3100TEM/STEM显微平台冷场发射低束流密度，加速电压可变的特点，在80kV下分别在STEM和TEM模式对RDX高敏感材料进行了电子辐照结构稳定原位研究，确定了STEM最高耐受束流密度并结合电子能量损失谱对RDX与电子束作用的反应动力学相变进行了探索性研究。