在國家自然科學(xué)基金支持下，中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所畢迎普研究員帶領(lǐng)的能源與環(huán)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(lǐng)域取得系列進(jìn)展。
利用貴金屬修飾半導體納米陣列可有效提高其可見(jiàn)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(lèi)材料大都存在金屬納米顆粒在半導體陣列表面無(wú)序隨機沉積。因而，如何實(shí)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(jiàn)光吸收及電子-空穴分離效率成為目前研究重點(diǎn)。
該課題組研究發(fā)現，在受光激發(fā)時(shí)，光生載流子在ZnO納米線(xiàn)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(xiàn)頂端{0001}晶面，而空穴聚集在側面{1101}晶面并產(chǎn)生較強的正電場(chǎng)。利用ZnO頂端{0001}晶面光生電子聚集作用，通過(guò)光還原沉積使金屬Ag納米顆粒均勻沉積在ZnO納米線(xiàn)陣列頂端。這一獨特的晶面選擇性生長(cháng)Ag納米顆?？蛇M(jìn)一步促進(jìn)半導體內產(chǎn)生的空穴-電子分離和定向傳輸，從而增強光電化學(xué)性能。（Nanoscale, 2013, 5, 7552）。此外，利用ZnO納米線(xiàn)陣列在光激發(fā)時(shí)光生電子-空穴在不同晶面間的空間分離所產(chǎn)生的正電場(chǎng)作用，使[AuCl4]-負配位離子在光生電場(chǎng)驅動(dòng)下定向遷移，并在ZnO納米線(xiàn)側面還原沉積形成Au納米線(xiàn)，最終相互連接形成三維網(wǎng)絡(luò )結構。光電化學(xué)研究結果表明此三維網(wǎng)絡(luò )結構金屬納米線(xiàn)/ZnO納米線(xiàn)異質(zhì)陣列表現出優(yōu)異的光電轉換性能。（J. Mater. Chem. A, 2014, 2,15553）
ZnO納米線(xiàn)陣列晶面間光生載流子定向遷移及Au納米線(xiàn)生長(cháng)示意圖
最近，該團隊研究發(fā)現通過(guò)施加偏壓可進(jìn)一步調整ZnO納米線(xiàn)陣列間電場(chǎng)強度，從而改變AuCl4-離子在電場(chǎng)內定向遷移速度，實(shí)現在ZnO納米線(xiàn)側面生長(cháng)Au納米線(xiàn)數量及位置靈活調控。光電測試研究結果表明三維網(wǎng)狀Au納米線(xiàn)/ZnO納米線(xiàn)異質(zhì)陣列結構在一定組成時(shí)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(jiǎn)便可行的技術(shù)路線(xiàn)。相關(guān)研究成果發(fā)表在英國皇家化學(xué)會(huì )Chem Commun期刊 (Chem Commun, 2015, 51, 2103).
電場(chǎng)誘導ZnO納米線(xiàn)陣列生長(cháng)Au納米線(xiàn)示意圖
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