金属酞菁在二氧化钛胶体表面光诱导电子转移

在半导体胶体表面进行的光诱导电子转移过程是当前光化学研究的一个活跃领域.多数半导体材料导带与价带间的能隙约为3eV,对紫外光有较强的吸收,但却不能有效利用日光中的可见光.若在半导体胶体体系中加入特定的光敏剂,使之吸附在半导体胶体表面,则光敏剂受光激发后,能够将其电子转移至半导体的导带,并可进一步传递给其它物质,使其发生氧化还原反应,从而扩展了半导体材料的光响应范围.     

第ⅥA主族元素掺杂Mg-MoS2异质结势垒高度调控

在纳米尺寸的薄膜场效应晶体管中,源极、漏极(金属材料)与有源层(半导体材料)之间的肖特基势垒是制约器件发展的关键因素之一.本文采用密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,通过第Ⅵ主族元素对二硫化钼(MoS₂)的硫原子进行替位掺杂,电子结构分析表明,氧的替位掺杂可以显著降低MoS₂的带隙值.选择功函数值较低的金属Mg,构建氧掺杂Mg-MoS₂异质结,研究发现,界面位置的氧掺杂可以使该异质结由肖特基接触变为欧姆接触.分析结果表明,欧姆接触的形成原因主要来自3个方面:(1)氧的掺杂增大了MoS₂的电子亲合能;(2)未掺杂的Mg-MoS₂异质结禁带中存在金属诱导间隙态,使费米能级被钉扎在禁带中靠近导带底的位置,界面氧掺杂降低了金属诱导间隙态在费米能级附近的强度,使费米能级的钉扎效应减弱而进入导带;(3)界面氧掺杂时,界面电荷转移减少,电偶极矩对Mg-MoS₂异质结相对能级改变的影响减小.本文的研究结果为金属-半导体界面的肖特基势垒高度调控提供了一定的理论指导.     

C_(60)的光致发光研究

由全碳组成的笼状簇合物(fullerene富勒烯)是不同于石墨,金刚石的碳的新的形态.其中具有截角正20面体结构的C_(60)是在合成富勒烯中采率最高的一种.采用不同的方法分析和计算,C_(60)固体(指FCC结构)的禁带宽度不相同,其值在2.6—1.5eV之间.对于C_(60)分子,采用LDA方法计算HOMO(最高填充分子轨道)同LUMO(最低空分子轨道)间能隙为1.9eV,采用SSH模型计算为1.7eV.群论分析表明其价带(即HOMO)属于h_u群,导带(即LUMO)属于t_(iu)群.由于t_(iu)同h_u的直积不包含t_(iu),所以C_(60)的带间(LUMO-HOMO)为禁     

光电池染料敏化的研究进展

利用半导体作为光吸收器将可见光转换成电能一直受到重视.70年代,人们开发研制了高效硅光电池(固态光伏电池,光电转换效率达25%),在航空器上用于能量供给.以后,人们开始研制半导体液结光化学电池. 一般来说,用Si,GaAs,InP和WSe等半导体(带宽(1.3±0.3)eV)可制成高效液结太阳能化学电池.用Si,GaAs单晶制成光化学电池其光电转化效率可达15%以上,但其严重的光腐蚀性及高的价格限制了这种电池的应用.解决这一问题的办法之一就是使用具有良好的热稳定性和光化学抗腐蚀性的氧化物半导体作电极(如TiO_2,SrTiO_3).然而,氧化物半导体的宽禁带需高能光才能产生电子-空穴对,几乎难以利用太阳光.为了与太阳光相匹配采用了染料敏化半导体电极的方法,在这样的电池中,染料吸收可见光受激后把电子注入半导体导带产生光电流.光电池主要由吸附到半导体电极表面的敏化剂,含有中继电解质的溶液以及金属对电极组成.光敏化剂首先被激发,处于激发态的敏化剂将一个电子注入半电体的导带. 氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原,中继分子扩散     

Hg_(1-x)Cd_xTe三元半导体的禁带宽度

三元系Hg_(1-x)Cd_xTe(0≤x≤1)随着x的增大由半金属转变成半导体,半导体的禁带宽度E_g既是发展红外探测器的基本参数,又是能带结构研究中必须由实验来确定的两个最基本的参数之一(另一个是电子有效质量m~*或动量矩阵元P),因而它与组分x和温度T的关系是一个特别重要的问题,有过不少的研究报道。     

单层WS2(1-x)Se2x中的有序相和无序相

调节组分和结构是调节二维材料的电子性质的重要手段.以WS_(2(1–x))Se_(2x)为例,通过理论计算研究了阴离子替代形成的过渡金属硫化物半导体合金.通过第一性原理计算结合特殊准随机结构(SQS)模型和团簇展开结构搜索(CE)法,探索了单层半导体合金WS_(2(1–x))Se_(2x)的有序相和无序相的热动力学特性.发现在x=1/3, 1/2和2/3时,有序相向无序相发生相变,相变温度分别为27, 28, 25 K.通过第一性原理能带计算和能带反折叠法,发现价带顶附近带边和导带底附近带边状态主要来源于W的d轨道,带隙随Se组分呈现线性变化趋势,与原子的有序排列或无序排列无关;同时发现电子和空穴的有效质量与原子的有序排列或无序排列密切相关.     

K掺杂C_3N_4的原位合成、禁带结构解析及其可见光催化性能增强机制

以硫脲和碘化钾为原料,采用热聚合法合成了K掺杂g-C_3N_4光催化剂(CN-K),通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线能谱(XPS)、比表面积(BET)、紫外-可见漫反射(UV-vis DRS)和荧光光谱(PL)等对样品进行微结构表征分析,并在优化晶体结构模型基础上,采用第一性原理计算模拟并解析能带结构和态密度分布.结果表明,掺杂K离子与N形成K–N键,并存在于g-C_3N_4层间.在可见光照射下对ppb级NO表现出了显著增强的可见光催化活性和良好的光化学稳定性.CN-K优异的活性可归因于K掺杂作用对g-C_3N_4电子结构的调变.K掺杂作用调节禁带位置,价带与导带的位置均下移,其中导带下移幅度高于价带,使催化剂禁带宽度减小,因此拓宽了光响应范围,使其可见光区域吸光能力增强;K掺杂使光生载流子的分离效率增加;K掺杂g-C_3N_4比纯g-C_3N_4的价带位置更正,K的掺杂作用使其光生空穴的氧化能力增强.本文阐明了K掺杂g-C_3N_4改性作用机理以及其可见光催化净化NO的机理.本文为光催化剂碱金属改性降解污染物提供了新的认识.     

宽禁带半导体掺杂机制研究进展

随着电子信息技术进入后摩尔时代,人们期望探寻一些新材料、新技术以推进半导体科学技术的发展.作为新一代战略电子材料,宽禁带半导体的技术应用近年来取得了飞速发展.宽禁带半导体的掺杂与缺陷调控是实现其重要应用价值的关键科学基础.本文主要介绍了我们和合作者近期围绕碳化物、氧化物、氮化物宽禁带半导体中掺杂与缺陷机理及性能调控展开的研究工作,具体包括:(1)探究4H-SiC中本征缺陷的电学和动力学性质,解释了实验上4H-SiC的有效氢钝化现象的内在物理机制;(2)研究In₂O₃中过渡金属元素的掺杂物理性质,提出了过渡金属掺杂的设计原则,并预测过渡金属Zr、Hf和Ta在In₂O₃中具有优异的n型特性;(3)采用轻合金化法调控Ga₂O₃材料的价带顶位置,并通过选取合适的受主杂质(如Cu_Ga),有望使(Bi_xGa_1–x)₂O₃合金成为高效的p型掺杂宽禁带半导体(4)...     

某些无机盐在ZnO-H_2O分散体系中光反应的研究

众所周知,含半导体粉末的多相体系吸收了一定能量的光子,便会在半导体的导带与价带中产生电子空穴对。它们与半导体周围的介质以各种方式发生电荷转移而产生各种不同的活泼中间体。这类光化学反应与太阳能利用、光催化、污物的光降解以及成像体系有关,因此引起人们极大的关注。     

后摩尔时代第三代半导体材料与器件:应用与进展

<正>随着电子信息技术进入后摩尔时代,人们期望探寻一些新材料、新技术以推进半导体科学技术的进一步发展.作为新一代战略电子材料,宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、功率高、载流子迁移率高、饱和电子速度快、耐高温高压等优异特性,吸引了越来越多的关注.宽禁带半导体材料研究持续推进着LED照明产业的不断发展,     

有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池的研究进展

2009年CH3NH3PbI3太阳能电池问世,因其具备制备工艺相对简单、光电转换率高等优点,引起了国内外研究者极大的关注.近几年,有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池发展迅速,光伏性能不断得到提高.然而CH3NH3PbI3电池器件受钙钛矿材料本身禁带宽度的限制,对太阳光的吸收光谱不够宽,并且其重要组成部分的Pb元素,具有一定毒性.因此制备带隙更窄、环境友好及化学稳定性好的有机金属卤化物钙钛矿太阳能电池具有重要的应用价值.本文评述了以寻找Pb的替代元素、提高入射光吸收效率、改善太阳能电池光伏性能为目标所进行的钙钛矿材料禁带宽度调控方面的研究成果,比较了有机、无机空穴传输材料和无空穴传输材料钙钛矿太阳能电池的光伏性能,讨论了界面结构在电子和空穴输运过程中的重要性.介绍了目前在CH3NH3Pb I3及类似有机金属卤化物钙钛矿材料的原子结构、能带结构和禁带宽度等理论研究方面的进展,讨论了常见计算方法的优缺点和需要注意的问题,为开展有机金属卤化物钙钛矿的理论研究提供了思路.最后提出该领域目前存在的问题以及对未来的展望.     

量子点敏化TiO2纳米管阵列光电极的制备研究取得新进展

窄禁带半导体量子点作为太阳能电池的敏化剂有许多优点:(1)可以通过控制量子点的尺寸调节能级结构,使其吸收光谱能够匹配太阳光光谱;(2)半导体量子点的固有偶极矩可以使电荷快速分离;(3)量子点吸收一个光子能够产生多个光生电子1),有望进一步提高光电转换效率.     

纳米尺寸ZnS胶体颗粒结构状态的STM研究

纳米尺寸颗粒介于分子、原子及体材料之间,对它们的各种性质的研究目前已引起了广泛的重视.形成物质纳米尺寸凝聚态颗粒的方法可初步分为两大类,一类涉及到原子的聚集,另外一类方法则利用受控化学反应产生凝聚态物质颗粒的胶体溶液.运用第二类方法形成的ZnS,CdS等半导体颗粒,在光照条件下,价带上的电子吸收适当波长的光跃迁至导带,形成空穴-电子对.电子与空穴迁移至半导体颗粒表面,即可与颗粒表面的底物发生氧化还原反应,实现光电的化学转化.由于这种光催化作用,使得它们     

影响锂离子电池实际容量的材料因素

正极材料的实际比容量一般都低于理论比容量,实际容量是直接影响电池能量密度的关键因素之一,不同电极活性材料的实际比容量/理论比容量的差别很大,差距主要来自充电前后的实际脱锂系数大小.通过大数据的整理,本文收集了层状LiMO_2(M=Ni和Co),尖晶石LiMn_2O_4和LiMPO_4(M=Fe,Mn和Ni)等20种典型正极材料的晶体结构和实际容量实验参数.利用第一性原理计算方法,得到了这些典型体系母体的价带和导带之间的能隙值.通过比较脱锂前后两种结构的能隙,确定了能隙比值与实际脱锂系数的关系,结果表明,脱锂前后结构的能隙越接近,正极材料的实际脱锂系数就越大,相对的实际容量也就越大.因此,通过比较能隙大小,可以了解影响锂离子电池活性材料的实际容量的本质因素.     

禁带宽度梯度化的半导体薄膜光电极的研究

为了得到光电化学性质稳定且具有宽的光吸收范围的光电极材料,给出了一种禁带宽度梯度化的氧化物半导体薄膜电极的设计。用溶胶凝胶法将不同V／Ti比的溶胶逐层涂于基板上,通过热处理得到了禁带宽度梯度化的Ti1-xVxO2薄膜电极。XPS结果显示所得薄膜中形成了组成梯度。这种Ti1-xVxO2薄膜电极的光电化学性质稳定,光生伏打约为360mV,可见光区具有明显的光电流。与纯的TiO2薄膜电极相比,Ti1-xVxO2薄膜电极的光电流起始电压正移了。这是由于电极表面富集的钒形成了电子空穴复合中心。Ti1-xVxO2的导带最低能级比TiO2的低可能是引起正移的另一原因。阻抗分析表明Ti1-xVxO2的受主密度比TiO2的高。     

Mn掺杂LiMgP新型稀磁半导体的光电性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法,对新型稀磁半导体Li_(1±y)(Mg_(1-x)Mn_x)P(x=0,0.125;y=0,0.125)体系进行几何结构优化,计算并对比分析了体系的电子结构、形成能、电荷重叠布局、差分电荷密度及光学性质.结果表明,LiMgP体系中化学键均表现为极化的共价键,磁性元素Mn的掺入形成了强于Mg-P的Mn-P共价键,且产生自旋极化杂质带,通过改变Li的计量数可以改变体系的性质和参与杂化的轨道.与单掺Mn相比,Li过量体系表现为金属性,杂质带宽度增大,而净磁矩减小,同时形成能降低,导电能力增强,Mn-P键的相互作用减弱;Li空位体系表现为半金属性,半金属能隙为0.478 eV,净磁矩为4.02μ_в,Mn-P键的重叠电荷布局数最大,键长最小,Mn和P原子之间的电子云最密集且共用电子对偏移程度最小,Mn3d和P3p间杂化作用最强.通过对比体系光学性质发现,Mn掺入后介电函数和光吸收谱在低能区出现新的峰值,同时复折射率函数也发生明显变化,体系扩大了对电磁波的吸收范围,能量损失明显减小.     

1T-TaS_2相变的磁场效应研究

1T-TaS_2是一种准二维化合物,由于电子-声子的相互作用,在温度600—180K间相继发生金属态-非公度(IC)-近公度(NC)-可公度(CC)电荷密度波态等一系列相变.相变过程中发生了电荷密度波(CDW)的形成及其调制波矢的改变.由于CDW在Fermi面处形成一能隙,构成一近似闭合的电子结构,使1T-TaS_2呈半导体电导特性和抗磁性.在准一维化合物研究中已经观察到:由于磁场与Fermi面附近的电子强烈耦合,导致Fermi面变形和新相变的出     

几种高聚物的真空紫外光电子能谱

真空紫外光电子能谱(UPS)是研究分子的电子结构的有力工具。对于固体和晶体还可以提供价带和导带的信息,因此引起人们的重视,对于小分子的UPS无论是气态还是固态都已有很多报道,但对高聚物的研究并不多。本文的作者们曾报道过聚乙烯类衍生物的UPS,因此将继续测定一系列的以聚乙烯为骨架的衍生物,以获得阈值电离能和极化能的     

核壳结构设计及界面键合实现氮化钽光阳极快速空间电荷分离

<正>光电催化(PEC)分解水是指在一定外加偏压下利用禁带宽度合适的半导体材料吸收太阳能产生电子-空穴对以驱动水的还原和氧化反应.自1972年Fujishima和Honda[1]首次报道Ti O2光阳极在紫外光和外加电压下实现水分解产生氧气和氢气以来,经过半个世纪的研究, PEC分解水已经发展成为将太阳能转化为可储存氢能的一种简便而有效的方法.     

ZnO基异质结紫外光发射器件研究进展

宽禁带半导体ZnO具有高达60 meV的激子束缚能,是一种极具潜力的短波长发光材料.在其p型掺杂存在巨大挑战的现状下,发展ZnO基异质结光发射器件不失为一种理想的选择.本文围绕p-n结型和MIS结型(金属-绝缘体-半导体)两类异质结构,介绍了ZnO紫外发光二极管(LED)和激光二极管(LD)的研究进展.针对ZnO异质结LED/LD存在的问题(如:发光效率低、稳定性差),重点介绍了通过引入ZnO单晶纳米线和金属局域表面等离激元,以及采用表面钝化等方法,改善器件性能方面的研究工作.