硅基半导体材料的自组装合成与性能研究

Nanostructured silicon semiconductors have been one of the hot research subjects in chemistry, materials science and physics over years, owing to their unique semiconducting and luminescent properties. However, their widespread utilization has so far been hampered by the lack of a simple, fast, and inexpensive synthesis approach. This project is to synthesize new classes of mesoporous silicon semiconductors and nanostructured silicon under mild conditions by employing new approaches, which involve self-assembly of low-valent and under-coordinate silicon precursors in the presence of the structure-directing agents. The obtaining materials possess periodically ordered mesopores or unique uniform morphologies and likely have application potentials in optics, sensors, energy storage and biomedicine. The synthetic chemistry and structure-property relationship acquired in this research may provide insights into the self-assembly of inorganic clusters, and guide future research in rational synthesis of functional materials with specific structures and properties.

纳米结构的硅材料具有优异的光电性能，是多年来化学、材料、物理等学科的共同热点之一。然而，纳米结构硅材料的制备仍不成熟，缺乏一种简单、快速、便宜的制备方法，且目前还不能制备具有有序孔道和规则形貌的单质硅，致使这类材料的应用受到很大限制。本项目拟开发新的合成方法和策略，设计合成具有特定结构与反应活性的硅前驱物作为结构单元，在温和条件下利用自组装法，辅以结构导向剂，制备出系列具有有序纳米孔道的新型介孔硅和具有新型规则形貌的单质硅半导体，研究这类材料的自组装合成化学和结构-性能关系，以期开发出在材料、能源、医学等高新技术领域具有应用价值的新型功能材料。

近年来，纳米结构的单质硅材料在锂离子电池、发光、载药等领域具有优异的性能而受到关注。然而，合成单质硅经常需要高温、高压、无水无氧操作或极其活泼的前驱物等条件，导致其产率低、不容易生成具有特定形貌和孔道结构的单质硅纳米材料，成为其应用的一大障碍。本项目的研究计划是开发新的合成方法和策略，在温和条件下制备出具有规则形貌和具有孔道结构的单质硅半导体纳米材料，研究这类材料的合成规律和结构-性能关系，以期开发出在材料、能源、医学等高新技术领域具有应用价值的新型功能材料。通过四年的研究，我们按原工作计划，分别采用“自上而下”和“自下而上”两种策略，利用具有特定结构与反应活性的硅前驱物作为结构单元，通过多种方法制备出单质硅纳米结构材料，例如通过硬模板法制备了大小均匀的单质硅纳米颗粒、空心结构的单质硅/碳化硅复合材料、单质硅-介孔二氧化钛核壳结构复合纳米球、蛋黄结构的单质硅/碳化硅/碳/二氧化钛纳米球等，利用溶剂热制备了二维超薄纳米硅片，利用自组装合成新方法在温和条件下制备了单质硅纳米颗粒、超薄纳米硅片、介孔硅等，这些材料在光降解有机染料、温室气体二氧化碳转化、高性能锂离子电池等领域中显示了优异的应用性能，为设计合成具有特定形貌和结构的新型单质硅材料以及纳米硅材料的商业化应用提供了新方法、新数据和新途径。