核-殼結(jié)構(gòu)ZnO量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)研究.pdf

1、納米技術(shù)是近年來(lái)隨著納米材料的合成工藝、表征技術(shù)以及微納加工技術(shù)發(fā)展起來(lái)一門(mén)新興的學(xué)科。當(dāng)材料的尺寸進(jìn)入納米級(jí)別時(shí)，由于量子限制效應(yīng)和表面效應(yīng)的作用，會(huì)表現(xiàn)出很多新奇的物理和化學(xué)性質(zhì)，在半導(dǎo)體器件、磁性材料、催化、光化學(xué)電池、納米器件等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。為了實(shí)現(xiàn)納米顆粒在實(shí)際應(yīng)用中的良好性能，往往須要對(duì)納米顆粒的某些性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控，而構(gòu)建核/殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)則是最近得到廣泛研究的一種操縱、調(diào)控和剪裁納米顆粒性質(zhì)的有效手段。已經(jīng)有廣泛的研

2、究證實(shí)，量子點(diǎn)的光電磁性質(zhì)可以通過(guò)構(gòu)成核/殼結(jié)構(gòu)顆粒來(lái)連續(xù)調(diào)節(jié)。本論文采用了一種表面轉(zhuǎn)化策略合成ZnO/ZnS核/殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)，并探索了其在稀磁半導(dǎo)體磁性操控、高性能光化學(xué)電極和納米發(fā)電機(jī)方面的應(yīng)用。結(jié)合X射線(xiàn)吸收譜、紫外可見(jiàn)吸收光譜、光致發(fā)光譜等表征手段和第一性原理密度泛函計(jì)算方法解釋了核/殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)在這些應(yīng)用中具有良好性能的原因，并指出了進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化的途徑。
　　本論文主要包括以下內(nèi)容
　　(1)利用核殼結(jié)構(gòu)調(diào)控Co

3、摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體量子點(diǎn)的自旋交換作用
　　操縱稀磁半導(dǎo)體量子點(diǎn)(diluted magnetic semiconductor quantum dots，DMSQDs)中的鐵磁相互作用是研發(fā)下一代自旋信息技術(shù)的關(guān)鍵課題。然而，由于DMS QDs中磁性離子固有的反鐵磁耦合作用，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)面臨巨大的挑戰(zhàn)。我們通過(guò)利用核殼結(jié)構(gòu)改變Co摻雜ZnO中磁性離子的3d軌道相對(duì)于帶邊的位置，成功的實(shí)現(xiàn)了DMSQDs的鐵磁交換作用。第一性原理

4、計(jì)算顯示，包裹在Co摻雜ZnO核外圍的ZnS殼層可以有效的誘導(dǎo)界面以下1.2nm內(nèi)的Co2+對(duì)從反鐵磁耦合轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁耦合。這一方法可以為未來(lái)的自旋電子學(xué)應(yīng)用中關(guān)于操縱氧化物納米結(jié)構(gòu)中交換作用的研究提供參考。
　　(2)高性能ZnO@ZnO∶S類(lèi)核/殼納米復(fù)合材料光解水光電極
　　抑制光電極表面的快速空穴復(fù)合是設(shè)計(jì)和制備用于高性能光解水光電極的最核心問(wèn)題之一。本章中，我們提出了通過(guò)在ZnO納米顆粒表面層摻入S原子，產(chǎn)生俘獲空穴

5、的能級(jí)，以之來(lái)抑制光生電子-空穴復(fù)合，提高載流子利用效率，從而提高能量轉(zhuǎn)化率。我們制備的ZnO@S摻雜ZnO類(lèi)核/殼納米復(fù)合材料在功率密度為100 mW/cm2的模擬光源照射下，測(cè)得產(chǎn)生的光電流密度高達(dá)1.08mA/cm2，比純ZnO納米顆粒電極高8倍左右。實(shí)驗(yàn)表征和理論計(jì)算結(jié)果表明，由于S原子占據(jù)了納米顆粒表面ZnO晶格中O原子的位置，在帶隙間產(chǎn)生一個(gè)可以俘獲光生空穴的雜質(zhì)能級(jí)。雜質(zhì)能級(jí)的產(chǎn)生導(dǎo)致了光解水性能的增強(qiáng)。這一設(shè)計(jì)為未來(lái)進(jìn)一

6、步優(yōu)化ZnO光電極提供了參考。
　　(3)通過(guò)ZnO/ZnS核/殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定納米顆粒中的注入電子及其在納米發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用
　　在自我供能納米技術(shù)領(lǐng)域，研發(fā)高效、穩(wěn)定、柔性的基于ZnO納米材料的納米發(fā)電機(jī)具有重要的意義。本文中，我們提出一種新型的基于ZnO納米駐極體的靜電納米發(fā)電機(jī);通過(guò)形成具有Ⅱ型結(jié)構(gòu)核/殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，注入ZnO納米駐極體的電荷可以被長(zhǎng)久的保存，利用帶有穩(wěn)定電荷的駐極體構(gòu)成電容器，環(huán)境中聲波等微弱振動(dòng)引發(fā)電容

7、器中的導(dǎo)體對(duì)極板的共振可以在外電路中產(chǎn)生交流電流。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)想，我們通過(guò)表面轉(zhuǎn)化策略制備了ZnO/ZnS核/殼結(jié)構(gòu)納米顆粒，進(jìn)行紫外照射向核/殼結(jié)構(gòu)納米顆粒注入電子，由于ZnS殼層的保護(hù)，注入電子可以在空氣中穩(wěn)定存在，因此注入電子可以長(zhǎng)期存在于核/殼結(jié)構(gòu)納米顆粒中。隨后，我們使用已經(jīng)充入電荷的核/殼結(jié)構(gòu)駐極體組裝成一臺(tái)靜電納米發(fā)電機(jī)，它可以以2.2％的能量轉(zhuǎn)化率將來(lái)自環(huán)境中的聲波轉(zhuǎn)化為電能。實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，注入核/殼結(jié)構(gòu)駐極體的