掺杂ZnO纳米晶的可控合成机理与光电性能调控研究

胶体半导体纳米晶是一类重要的新兴光电功能材料。掺杂为调控纳米晶的光电性能提供了新的途径。然而目前有关掺杂纳米晶的合成机理的研究还不够充分，对其认识不够深入，严重制约了掺杂纳米晶的发展。本项目以掺杂ZnO纳米晶体系为研究对象，详细考察掺杂纳米晶的形核、生长与熟化过程，深入探索并阐明可控合成机理，综合运用多种测试手段实现对掺杂纳米晶的精确表征。在此基础上针对杂化太阳能电池、紫外探测器和透明导电薄膜这三种溶液工艺的半导体器件的应用需求，结合器件制备与性能评价，构建从化学可控合成、材料精确表征到器件性能测试的理论依据和实验方法，设计并可控合成相应的掺杂ZnO纳米晶，实现从"成分、尺寸、形貌"三个维度调控材料的光电性能，获得高质量的纳米晶功能材料。通过本项目的研究有望深入对掺杂ZnO纳米晶的可控合成机理的认识，推动掺杂ZnO纳米晶在溶液工艺的半导体器件中的应用，为调控纳米晶材料的光电性能提供新思路。

ZnO 是本征n 型的透明氧化物半导体。ZnO基纳米晶薄膜有潜力应用于很多溶液工艺光电器件，如太阳能电池和发光二极管。本项目通过化学可控合成调控单个ZnO纳米晶的性质，从而调控纳米晶薄膜的光电性能。我们在深入研究相关分子机理和化学动力学的基础上可控合成了合金/掺杂纳米晶。结合能带工程概念，定量研究了Mg/Cd 合金化和尺寸效应对ZnO 基纳米晶能带结构的调制作用。结合可控掺杂概念，通过In 可控掺杂实现了对纳米晶的自由载流子浓度和纳米晶薄膜功函数的调控。进一步的，我们将将ZnO基纳米晶薄膜应用于光电器件，根据器件需求“量身定制”成膜工艺相容、能级结构匹配、界面性质优异的电子传输层。典型例子为将ZnO纳米晶应用于量子点发光二极管，制备了综合性能迄今为止最优的红光器件。该工作（与彭笑刚教授合作）入选了2014中国科学十大进展。