超微金属/氧化铝纳米管杂化结构的电子运动调制及其光热电性能与器件研究

For zero band gap metals and ultra-wide band gap inorganic compounds, there is no response to visible light and heat due to the limitation of their energy gaps. In this project, one-dimensional metal/alumina nanohybrids, in which ultrafine metal nanocrystals are homogeneously distributed in the wall of alumina nanotubes, are synthesized via homogenization precipitation followed by heat treatment under reducing atmosphere. The electron motion is effectively controlled by the synergistic effect of nanohybrids, resulting in a strong interaction with light, heat and electricity. Therefore, the nanodevices of photoelectric detectors, polarization photovoltaic cells, resistive switchings and thermal resistance switchings can be effectively constructed based on the metal/alumina nanohybrids with unusual function. The controllable preparation methods of ultrafine metal/inorganic compound nanohybrids will be developed. The localization mechanism of electrons will be explored and grasped in ultrafine metal nanocrystals. The effective control of heterostructure interface will be realized, and meanwhile, the mechanism of electron separation and transfer in the heterointerface will be clarified. The synergistic effect of nanostructure hybrids will be revealed, and the intrinsic relations with the optical, thermal and electrical properties of nanodevices will be obtained. Eventually, the theoretical foundation will be established for the nanohybrids composed of zero band gap metals and ultra-wide band gap inorganic compounds, and moreover, the experimental data and technical support will be provided for the development of new type of nanodevices.

零带隙金属和超宽带隙无机化合由于能隙的局限性，对可见光和热都不能产生有效响应。针对此问题，本项目利用均相共沉淀并结合后续热还原退火原位析出工艺合成出超微金属纳米晶均匀分散于氧化铝纳米管壁中的金属/无机杂化纳米结构，通过纳米尺寸下金属与无机化合物的杂化协同效应对电子的运动进行有效控制，让其对光、热和电产生强相互作用，然后进一步构筑成性能可控的光电探测、极化光伏电池、电阻开关和热阻开关等纳米光热电器件。在此过程中，我们将发展超微金属纳米晶/无机化合物杂化纳米结构的可控制备技术；探索并掌握电子在超微金属纳米晶内的局域化行为；实现异质界面的有效调控手段，阐述电子在异质界面的分离与转移机制；揭示杂化纳米结构的协同作用机理，获得与器件光热电性能的内在关联特征。为零带隙金属和超宽带隙无机化合物杂化纳米结构的性能调控奠定理论基础，并为新型纳米器件的研发提供实验数据和技术支持。

零带隙金属和超宽带隙氧化铝等无机绝缘体由于能带隙的局限性，对可见光不能产生高灵敏快速响应以及可调记忆等功能。针对此问题，我们提出利用超微纳米颗粒均匀分散于纳米结构基体中，形成杂化纳米结构，通过构建合适陷阱中心调控载流子运动，从而对两种能隙差别较大材料利用杂化协同效应产生类半导体特性，然后进一步研制成新型纳米结构元器件。基于此，我们采用均相共沉淀以及低温燃烧合成法，并结合后续不同气氛热退火工艺，在纳米结构基体中均匀引入超微纳米颗粒，制备出超微纳米晶@无机物一维和二维等杂化纳米结构材料，利用超微纳米晶诱使的陷阱对外界光、电等信息变化产生了快速响应和强耦合作用，实现负光电导、负电阻开关和极化光伏等新奇效应。然后，我们揭示出亚带隙长波光作用下陷阱中心捕获载流子的激发导致陷阱空出，从而电阻增加，相应地出现负光电导效应。当在外界高偏压作用时，载流子会注入陷阱导致空出的陷阱被重新填充，从而电阻下降，形成了可擦写的光电记忆效应。另外，我们也揭示出高电场诱使器件两端非对称注入导致的内建电动势是形成可擦写负电阻开关和极化光伏效应的起因。最终，通过双终端电极结构我们构建出了高性能可擦写的非易失性可逆负光电感知与存储、可擦写的非易失性可逆负电阻开关存储等电子信息元器件、以及正负极可逆的光伏电池和高效光催化剂等能源转化器件。并在此基础上，我们进一步拓展了纳米杂化结构材料制备和器件应用的范围。该工作不仅为纳米结构材料的性能调控奠定了理论基础，也为实现基于纳米结构材料的新型电子信息和能源转化器件的研发提供了技术支持。