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半導體之所以能被廣泛應用在光電產品世界中,憑藉的就是在其晶格中植入雜質改變其電性,調控半導體納米晶體的光、電、磁性質,實現高效率發光器件、太陽能電池、自旋電子器件等新型光電子器件的應用。納米晶體積小,生長速度快,因為 「自清潔」問題(self-purification),摻入的雜質原子很容易遷移到表面。因此,開發低溫、綠色的方法,實現半導體納米晶的深度取代摻雜而不是表面摻雜,避免「自清潔」問題,而且做到摻雜離子濃度的有效調控,尤其是異價金屬離子的取代摻雜(substitutional doping),實現納米晶的n-型(多數電子)或p-型(多數空穴)導電,是摻雜亟需解決的科學難題。
圖1. 張加濤課題組利用一種全新的配位陽離子交換反應實現半導體納米晶中深度位置異價摻雜,摻雜發光及摻雜能級的新方法及展望。
來自於北京理工大學的張加濤課題組採用一種不同於以往的陽離子交換方法,充分利用不同過渡金屬離子的配位活性差別,實現了被摻雜離子化合物納米顆粒與目標半導體陽離子可控交換後,被摻雜離子在深度位置的可控剩餘及取代性摻雜。該方法實現的高效摻雜發光以及p-型,n-型摻雜能級的有效調控,有望為解決半導體量子點中的「自清潔效應」、「自吸收效應」、以及「自補償效應」等問題提供新的途徑。
鑑於該研究團隊的研究進展,Journal of Physical Chemistry Letters雜誌邀請其撰寫了題目為「Heterovalent doping in Colloidal Semiconductor Nanocrystals: Cation Exchange-Enabled New Accesses to Tuning Dopant Luminescence and Electronic Impurities」的Perspective論文(J. Phys. Chem. Lett.,2017,8, 4943-4953)。並被邀請以雜誌封面和視頻形式在美國化學會(ACS)網站進行了專題報導。
該前瞻性綜述論文回顧了近些年來陽離子交換法製備異價摻雜半導體納米晶研究進展,包括新型液相製備方法以及原子分辨的高分辨電鏡表徵技術,EXAFS等同步輻射光源原子環境表徵研究以及飛秒瞬態吸收光譜(TA),紫外光電子能譜(UPS)等研究弛豫過程的研究進展。展望了陽離子交換法在Ⅱ-Ⅵ族,Ⅲ-Ⅴ族、氧化物納米晶中實現異價摻雜,從而獲得高效摻雜發光,摻雜能級調控方面的巨大前景。並就在這些摻雜量子點或納米晶的表面改性、自組裝成膜等研究的跟進基礎上,實現其在螢光聚集器(LSC)、發光二極體(LED)、場效應管(FET)等新能源器件方面的應用進行了展望。
圖2. 異價摻雜半導體納米晶的應用展望
該論文作者為:Jiatao Zhang, Qiumei Di, Jia Liu, Bing Bai, Jian Liu, Meng Xu, and Jiajia Liu
Heterovalent Doping in Colloidal Semiconductor Nanocrystals: Cation-Exchange-Enabled New Accesses to Tuning Dopant Luminescence and Electronic Impurities
J. Phys. Chem. Lett.,2017,8, 4943-4953, DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b00351
論文及視頻介紹連結
http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acs.jpclett.7b00351
張加濤教授簡介
張加濤教授,北京理工大學教授,博士生導師。2006年於清華大學化學系李亞棟院士課題組獲得博士學位。2006年9月-2007年12月,德國卡爾思魯厄大學無機化學研究所Dieter Fenske院士課題組博士後,2008年1月至2011年1月在美國馬裡蘭大學物理系Min Ouyang 教授課題組Research Associate 工作。2011年3月以海外高層次人才引進,被聘為北京理工大學首位徐特立特聘教授。
張加濤教授的主要研究領域為無機納米材料化學,圍繞半導體納米晶異價摻雜、異質界面精準合成化學及光電、新能源應用開展研究。第一作者或通訊作者在Nature、Science、Nature Nanotech.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv.Mater.、Nano Lett.、NPG Asia Mater.、J. Phys. Chem. Lett.等國際頂級學術期刊上發表SCI論文40餘篇,受邀專著/章節4部,授權國內、國際專利5個,研究工作已被他人引用2000多次。工作被Nature、Science、Nature Mater.、Nat. Commun.、PRL、Nano Lett.等許多國際著名學術期刊論文引用和報導。同時也被Nature、ACS、Wiley、MRS、Science Daily、Nanotechnology Now等數十家學術組織、科技新聞雜誌或網站進行專題報導。組織國內/國際會議10餘次,參加國際、國內著名會議(特邀報告/口頭報告)30餘次。國際會議優秀論文獎3人次。曾獲得「北理工科技工作先進個人」、「中國材料研究學會先進工作者」等榮譽稱號。作為項目負責人/研究骨幹主持/參與包括國家自然基金委重大研究計劃、重點項目、優青、面上、培育項目等5項,省部級科研項目3項。已培養北理工優秀博/碩士論文5人次(2名優秀博士論文,3名優秀碩士論文)。2011年入選教育部「新世紀優秀人才支持計劃」。2012年入選「北京市優秀人才」。2013年入選國家自然科學基金委優秀青年基金。
張加濤教授擔任北京理工大學結構可控先進功能材料與綠色應用北京市重點實驗室主任。北理工-昆士蘭能源材料聯合研究中心主任。目前擔任中國材料學會理事、黨委委員,納米材料與器件分會副秘書長,Prog.in Nat.Sci: Mater.Inter.、Rare Metals兩個SCI期刊的編委委員,中國科學技術協會第九屆全國代表大會代表等職。是Nat.Commun.、JACS、Adv.Mater.、Adv.Funct.Mater.、ACS Nano、Small、Nano Scale、Nano Res.等頂級期刊雜誌的審稿人。
http://www.x-mol.com/university/faculty/47861