蘭州化物所半導體陣列光生載流子定向遷移研究獲系列進展

　　在中國科學院“百人計劃”項目和國家自然科學基金支持下，中國科學院蘭州化學物理研究所研究員畢迎普帶領的能源與環境納米催化材料組在半導體納米陣列晶面間光生載流子定向遷移及選擇性沉積納米金屬研究領域取得系列進展。

　　利用貴金屬修飾半導體納米陣列可有效提高其可見光吸收，增強光生電子-空穴分離效率，從而增強光催化及光電催化性能。然而，目前所報道的此類材料大都存在金屬納米顆粒在半導體陣列表面無序隨機沉積。因而，如何實現金屬在半導體納米陣列不同晶面可控構建從而調控其可見光吸收及電子-空穴分離效率成為目前研究重點。

　　該課題組研究發現，在受光激發時，光生載流子在ZnO納米線陣列{0001}和{1101}晶面間定向遷移并分離，光生電子富集在ZnO納米線頂端{0001}晶面，而空穴聚集在側面{1101}晶面并產生較強的正電場。利用ZnO頂端{0001}晶面光生電子聚集作用，通過光還原沉積使金屬Ag納米顆粒均勻沉積在ZnO納米線陣列頂端。這一獨特的晶面選擇性生長Ag納米顆粒可進一步促進半導體內產生的空穴-電子分離和定向傳輸，從而增強光電化學性能。（Nanoscale, 2013, 5, 7552）。此外，利用ZnO納米線陣列在光激發時光生電子-空穴在不同晶面間的空間分離所產生的正電場作用，使[AuCl4]-負配位離子在光生電場驅動下定向遷移，并在ZnO納米線側面還原沉積形成Au納米線，最終相互連接形成三維網絡結構。光電化學研究結果表明此三維網絡結構金屬納米線/ZnO納米線異質陣列表現出優異的光電轉換性能（J. Mater. Chem. A, 2014, 2,15553）。

　　最近，該團隊研究發現通過施加偏壓可進一步調整ZnO納米線陣列間電場強度，從而改變AuCl4-離子在電場內定向遷移速度，實現在ZnO納米線側面生長Au納米線數量及位置靈活調控。光電測試研究結果表明三維網狀Au納米線/ZnO納米線異質陣列結構在一定組成時具有最佳光電轉換性能。該研究結果可為微納區域構建具有特定結構及功能的金屬/半導體納米器件提供一種簡便可行的技術路線。相關研究成果發表在英國皇家化學會Chem Commun期刊 (Chem Commun, 2015, 51, 2103)。

ZnO納米線陣列晶面間光生載流子定向遷移及Au納米線生長示意圖

電場誘導ZnO納米線陣列生長Au納米線示意圖