张加涛团队在半导体纳米晶材料器件应用研究方面取得系列进展

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由形貌、尺寸调控引起的量子尺寸效应、限域效应成为纳米材料领域最重要的发现之一，开始了对物质在纳米尺度上的新认识，尤其是半导体纳米晶材料。随着光电、信息以及新能源应用的特征尺寸不断减小，器件应用已对半导体纳米晶材料的微纳结构、异质界面提出更高的要求。在尺寸、形貌等引起物理/化学性质调控的同时，其杂质工程、能带工程研究引起的界面调控及器件级组装及性能应用成为瓶颈问题之一。

　　张加涛研究团队在学校先进材料实验中心（ECAM）平台支持下，在学校创新人才专项资助计划、国家自然科学基金资助下，从新方法、新结构、新性能角度，建立了逆向竞争的阳离子交换反应制备新方法，实现了II-VI族半导体纳米晶深度位置的稳定异价掺杂及与金属异质结构中的异质界面的精确调控合成。最近，在Plasmon增强的Au/CdSe异质纳米棒近红外（>700nm）光电催化产氢、掺杂量子点“墨水”打印及防伪应用、以及Plasmon增强的Au@CdHgTe纳米棒/石墨烯近红外光电探测器件应用方面取得系列进展。

　　团队与中科院大连化物所李灿院士团队合作，在金属@半导体异质纳米结构研究积累基础上（Science, 2010; Adv. Mater., 2014; Angew. Chem. Int. Ed., 2015; Adv. Mater., 2016; Nano Energy, 2018; Nano Energy, 2019; J. Mater. Chem. Mater. A, 2018）通过精确调控Au/Ag核壳纳米晶的硒化反应以及逆向竞争的水相阳离子交换反应，实现了从核壳结构（core/shell）到哑铃结构（nanodumbbell）演变的Au/CdSe异质纳米棒的制备及异质界面的高质量构建。得益于Au棒的纵向SPR效应及两端的电磁场增强“热点”以及高质量的异质界面，制备的Au/CdSe HNRs在近红外区具有很强的光吸收特性，实现了Plasmon增强的高效热电子注入效应。结合空间分辨的表面光电压成像表征(与李灿院士团队合作)，成功研发出一种在近红外光波段具有高的吸收效率，又具有高的可见-近红外光电催化产氢性能，且其法拉第效率高达96%的光电催化材料。光电催化产氢活性（45.29 μmol cm-2 h-1）通过5天的连续测试，没有明显降低。北理工的王虹智博士研究生以及大连化物所的高玉英博士研究生为共同第一作者。相关工作以“Efficient plasmonic Au/CdSe Nano-dumbbell for Photoelectrochemical Hydrogen Generation beyond Visible Region”为题，在线发表在Advanced Energy Materials (2019, DOI: 10.1002/aenm.201803889)上。

　　团队基于已有的半导体掺杂纳米晶/量子点研发基础（Angew. Chem. 2015; Adv. Mater. 2015; Nature Nanotech. 2018; Angew Chem. 2018），发现了Ag掺杂CdX（X="S," Se等）等II-VI族量子点的可逆阳离子交换（Ag2X与CdX之间的可逆转化）可多次实现有无荧光的切换。然后通过表面配体交换以及掺杂量子点分散在碱性水/乙二醇溶剂中，实现了可控粘度的“墨水”制备。进而实现了掺杂量子点在不同衬底（羊皮纸，纸币，PET等柔性衬底）上的喷墨打印和图案化（宏观厘米、分米尺寸器件规模）。利用可控的荧光切换实现了更高安全性的多模式防伪应用。相关工作以“Hydrophilic Doped Quantum Dots “Ink” and Their Inkjet-Printed Patterns for Dual Mode Anti-Counterfeiting by Reversible Cation Exchange Mechanism”为题，在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201808762)在线发表。黄文艺硕士研究生和徐萌讲师为论文共同第一作者。

　　团队在Au@HgxCd1-xTe金属/碲化物半导体核壳纳米棒的精准合成基础上，基于壳层材料的窄带隙特点以及Au纳米棒的表面等离子体共振效应，实现连续可调的可见光-近红外吸收特性。与国家纳米中心谢黎明研究员团队（光电探测器件表征）、英国曼彻斯特大学Sarah J. Haigh教授（高分辨STEM表征）、香港城市大学Andrey L. Rogach教授（海外名师计划资助）合作，利用石墨烯高载流子迁移率的特点，实现了石墨烯/Au@HgxCd1-xTe纳米棒光电器件的合成。所合成的器件实现了可见光到近红外宽波段（550-1300 nm）的高光响应效率（~106 A/W）。展示了其在红外光电探测领域方面的应用价值。相关工作以“Au@HgxCd1-xTe core@shell nanorods by sequential aqueous cation exchange for near-infrared photodetectors”为题发表在Nano Energy 杂志上（2019, 57, 57-65）。李欣远博士研究生为论文第一作者。

　　上述相关论文链接如下：

　　1、https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/aenm.201803889；

　　2、https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201808762；

　　3、https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518309364