半导体-金属纳米颗粒复合结构光诱导电子转移的理论模拟研究

Nanocomposites, consisting of semiconductor nanocrystals with light trapping ability and metal nanoclusters with catalytic activity have received huge scientific attentions, especially in the field of photocatalysis. However, due to the complexity of interface structure and interactions, it is hard to understand the coordinating mechanism of the nanocomposites...The proposed project aims at developing and applying multi-scale and high-throughput computational chemistry methodology, to study the formation, coupling and evolution of electronic state in nanocomposites constructed by three typical semiconductors and noble metal nanoclusters. The optical absorption (transition dipole moment) and electron transfer properties will be revealed rapidly by reconstructing Hamiltonians from numerical evaluation. In combing with intuitive chemical representations and inelastic electron tunneling spectroscopy simulation of molecules on metal surfaces, it will provide the coupling and evaluation of surface electron states at chemical bond level. The structure-property relationship could be predicted based on the micromechanism researches and the key metrics database aiming to photocatalysis applications, which will eventually help us to implement rational design for photocatalysis devices based on semiconductor-metal nanocomposites.

半导体与金属纳米颗粒的复合结构研究是一个日趋重要的方向。该类结构可以协同利用半导体的光电转换特性、半导体和纳米金属的催化活性、以及金属等离激元的光吸收能力，在太阳能利用领域具有广阔的应用前景。然而其界面结构及相互作用的复杂性，对理解其工作机制及协同工作原理带来了巨大的困难。..本项目以三类典型的半导体材料与贵金属纳米颗粒组成的复合结构材料为研究对象，发展与应用多尺度与高通量计算化学方法，聚焦于复合结构在光催化应用中的电子态的形成、耦合与演化这一单一主线，通过重构系统哈密顿量快速获得体系的光学吸收特性（跃迁偶极矩阵）、电子转移等特性；通过对金属表面与分子之间的成键分析和非弹性电子隧穿谱的模拟，在化学键层次对表面电子态的耦合与演化提供关键信息；通过微观机理的研究并建立光催化应用关键指标数据库，获得复合结构体系的构效关系预测，为半导体-金属纳米颗粒复合结构光催化器件的理性设计提供具体而有效的帮助

纳米复合结构材料由于其包含了多种表面与界面之间的复杂相互作用，协同各个组份之间的性能并实现理性设计是进行有效利用的关键。项目以高效光、电催化剂及储能器件的设计为目标，聚焦如何有效诱导电子与空穴分离并运动到不同的电极材料或者是催化剂活性位点，通过对纳米复合结构中特别是在界面电子转移过程以及各组分的协同工作原理的探索，寻找控制界面电子转移的关键因素。结合复合结构表界面电子态的成份分析及谱学表征，在原子尺度理解分子与固体材料对光激发的响应与电子态的演化过程，实现了光电响应纳米复合结构材料的理性设计。