液相法调控II-VI族半导体纳米晶的异价掺杂及光电性能应用研究

Intentional insertion of impurity atoms into semiconductor nanocrystals, especially the heterovalent substitutional impurities,to provide either extra electrons (n-type doping) or extra holes(p-type doping) is the critical step for the wide application of semiconductor nanomaterials in optics, eletronics or electro-optic application.Because of the "self-purification" problem in quantum dots, most achievements so far mainly are the isovalent doping or uncontrollable heterovalent interstitial or surfacial doping which limited their optoelectronic devices applications. Herein, we design the soft acid-base coordination reactions between host metal ions and the doped heterovalent metal ions. By precise controlling of the chemcial thermodynamics and kinetics of these cation exchange reactions to realize the substitutional heterovalent doping in central part of II-VI semiconductor nanocrystals. Intentionally by this low temprature, green and verstile strategy, it is expected that the doped luminescence with high quantum yield, controllable concentration of extra electrons (n-type doping) or extra holes(p-type doping) could be achieved efficiently. Based on the deep exploration of the impurity induced luminescence mechanism and evolution of electronical properties, we try to get the self-assembly of these building blocks into two-dimensional or three dimensional p/n films and then potential applications in efficient biological labeling, solid-state lighting, photoconductivity and photovoltaic devices.

有效实现半导体纳米晶的异价取代掺杂及调控，引进额外的电子/空穴载流子，避免掺杂原子的"自净化"问题，实现纳米晶的n型、p型导电控制，是目前开发半导体纳米晶在光学、电学以及光电转化等方面应用的关键科学问题及难题。到目前为止，国际上的研究进展仍然以同价掺杂以及不可控的异价间隙位掺杂和表面掺杂为主，不能有效解决此问题。本项目中，申请人拟利用软酸软碱反应，设计不同配位活性的金属离子之间的离子交换反应。在从非晶纳米结构到单晶纳米结构的原位转变，实现低温、绿色制备不同形貌的II-VI族基半导体纳米晶的同时，实现异价离子在其中的有效取代掺杂及n型、P型导电类型调控。在研究其发光机理的基础上实现高效率的掺杂发光；在研究其电学性质演变的基础上，在不同刚性/柔性衬底上实现组装成膜以及p/n结组装，开发高效率的光电转换，探索其在发光器件、太阳能转化以及其它光电器件方面的应用。

项目背景：有效实现半导体纳米晶的异价取代掺杂及调控，引进额外的电子/空穴载流子，避免掺杂原子的“自净化”问题，实现纳米晶的n 型、p 型导电控制，是目前开发半导体纳米晶在光学、电学以及光电转化等方面应用的关键科学问题及难题。到目前为止，国际上的研究进展仍然以同价掺杂以及不可控的异价间隙位掺杂和表面掺杂为主，不能有效解决此问题。.研究内容：拟利用软酸软碱反应，设计不同配位活性的金属离子之间的离子交换反应。在从非晶纳米结构到单晶纳米结构的原位转变，实现低温、绿色制备不同形貌的II-VI族基半导体纳米晶的同时，实现异价离子在其中的有效取代掺杂及n 型、P 型导电类型调控。在研究其发光机理的基础上实现高效率的掺杂发光；在研究其电学性质演变的基础上，在不同刚性/柔性衬底上实现组装成膜以及p/n 结组装，开发高效率的光电转换，探索其在发光器件、太阳能转化以及其它光电器件方面的应用。.重要结果、数据及科学意义：1）创新性发展了膦配体引发的离子交换反应在精确调控合成掺杂半导体纳米晶及掺杂发光的调控，本成果发表在2015年的Angew. Chem. Int. Ed.杂志上。2）在此基础上，离子交换法实现了对Ag离子、Cu（+1价）在II-VI半导体纳米晶中的深度位置的取代性异价掺杂，稳定的掺杂发光及大的大的Stokes位移，稳定性可达1年多。实现了II-VI族量子点中稳定的n-型、p-型掺杂能级调控。研究结果发表在2015年的Adv. Mater.杂志上。3）J. Phys. Chem. Lett. 杂志邀请撰写了Perspective论文,将此新方法在进一步新型异价掺杂，尤其是III-V族离子掺杂、氧化物中掺杂进行了展望。并以封面和视频被ACS网站专题报道; 4）在离子交换法制备的Ag+异价掺杂的CdSe纳米晶中，与Sergio等合作（共同通讯）实现了非磁性掺杂纳米晶的光诱导磁性。表明通过非磁性杂质掺杂而诱导的激发过程可以获得光学可转换的磁性纳米半导体材料。本研究发表在2017年的Nature Nanotech.杂志上。5）利用所制备的掺杂纳米晶的稳定掺杂发光，较大的Stokes位移（0.71eV），实现了其在有机玻璃里的均匀分散，实现了荧光聚集性能。