一维ZnO/CuO基复合纳米结构材料的制备及其耦合的光电性质研究

The fabrication of new type of composite nanomaterials could not only open up the field for the exploration of new phenomena and the study of new mechanism, but also provide an effective way for the resolvation of the difficulty that the photoelectric efficiency of traditional semiconductor materials is lower at present. In the field of photoelectric material, inorganic oxide material ZnO is a kind of important material with the wider band gap, which will limit the light absorption in the visible region. According to that the compound of the materials with different band gaps could complement the band gaps, we will prepare one-dimensional ZnO/CuO nanostructures arrays with a large area by the electrodeposition without template. Then, we will fabricate the new type of composite nanomaterials with the higher light absorption efficiency using the semiconductor nanoparticles and one-dimension semiconductor nanostructure material. We hope that we could develop the new theory about the coupling mechanism between the semicondutors by exploring its photoelectric properties. The project could not only resolve the lower light absorption efficiency of single inorganic semiconductor photoelectric materials and provide a new train of thought for the new property research of inorganic photoelectric materials, but also provide an important base for the research of new coupling phenomena and its physical mechanism between the nanomaterials.

构建新型的复合纳米材料不仅能为新现象的发现及新机理的研究开辟新的领域，同时也是解决当前国际上传统无机半导体材料光电效率低这一难点的有效途径。基于无机氧化物光电材料在光电领域的重要性，针对ZnO材料较宽的带隙限制其对太阳光中可见区域的光吸收的缺陷，本项目将利用半导体材料间带隙互补的优势，采用无模板电沉积的技术首先构建大面积一维ZnO/CuO纳米结构材料阵列，并进一步通过半导体纳米颗粒与一维半导体纳米结构材料的复合构建出新型的具有较高光吸收效率的复合纳米光电材料，在此基础上进行材料耦合光电现象的探索和研究，以期在低维半导体材料间的耦合机理方面得到发展。本研究不仅可以解决目前单一无机半导体光电材料光吸收效率低的关键性问题，为研究其它无机光电材料的新性能提供了新的思路，而且也为研究纳米材料间新的耦合现象及物理机制提供了重要的研究基础。

无机氧化物半导体光电材料具有更高的稳定性和对环境友好的优点，仍然是未来理想的光电材料，由于其在发光器件，压电和能量采集方面的潜在应用，一直是国内外研究的热点材料。但目前这类材料存在的典型问题是具有较低的光电效率。如以ZnO 为代表的光电材料由于其带隙高达3.37eV，这限制了其对太阳光中可见区域的光吸收，而同样具有稳定性高的CuO 半导体的带隙在1.2eV～1.9eV 之间，并且具有较大的光电导，与ZnO 半导体的结合将对于太阳光的吸收可以形成互补的带隙，低维纳米材料相对于块体材料由于减少了对少数载流子的收集长度和本身较大的比表面积，因此在光电转化方面更具有优势。充分利用氧化物半导体的带隙互补优势，通过构建低维纳米复合光电材料来研究无机氧化物半导体材料的光电性能具有重要意义。本项目主要通过无模板电沉积的方式研究了准一维无机氧化物纳米光电材料的合成及生长机理，并对合成的纳米复合光电材料进行光电性能的探测研究。通过无模板电沉积及包覆氧化处理的方式，制备了ZnO、CuO、Cu2O氧化物半导体及ZnO/CuO及ZnO/Cu2O复合纳米材料，部分无机氧化物纳米线阵列通过两个过程完成合成，先通过电沉积制备出了大面积规则的金属准二维平面纳米线阵列，然后利用高温氧化处理实现氧化物纳米材料的完成，搭建了一套纳米材料氧化过程的实时监控系统，通过该系统研究了几种纳米材料的氧化过程；在无模板电沉积制备过程中，实现了低维纳米材料形貌转变的完全可控，实现了纳米线阵列从无序到有序阵列的控制；利用计算机模拟计算与纳米线实时生长过程监控的对照，发现了规则的纳米线阵列内部的随机分叉现象，研究分析了这种生长现象出现的根本原因在于纳米线阵列的生长速度过快，其微观机制归因于纳米晶粒的尺度，为大面积纳米阵列制备提供了重要的理论指导。针对无机氧化物复合纳米的制备，设计了新型的三步合成方式实现了ZnO/CuO纳米复合材料的合成制备，在电沉积ZnO/Cu2O纳米复合材料过程中发现了沉积过程中的独特的枝晶分形现象。在复合纳米结构材料性能研究方面，搭建了一套真空光电测试系统，实现了在不同温度条件下对复合纳米结构材料的电学性能及光电耦合性能的研究。本项目的完成对于无机氧化物半导体光电材料的合成及进一步光电性能的深入探索提供了参考和一定的理论研究基础。