異質界面間的能量傳遞關鍵在於精準合成異質界面及能級調控。Surface plasmons (SPs) 熱電子注入效應，在清潔能源、環境治理、醫學診療、量子信息等諸多領域具有重要的應用前景。把具有高效光捕獲特性的SPs金屬微納結構與半導體微納結構相結合,可以提高傳統半導體器件的量子效率,其中SPs弛豫產生的熱電子是提高器件效率的關鍵。金屬@半導體核殼納米晶因為最大的異質接觸面積及可調的等離子體-激子耦合效應等，已成為當前世界上的研究熱點。因為之間的大晶格失配度，採用傳統外延生長機理往往產生大量的晶格缺陷或有機雜質，且半導體殼層多為多晶結構，成為能量傳遞的陷阱。
針對這一科學難題，北京理工大學張加濤研究團隊基於水相的可控陽離子交換策略，實現了異質界面精準調控的金屬@半導體核殼納米晶的原位轉化非外延製備。以Au@CdS與Au@ZnS核殼納米晶的合成為例，在核殼納米棒或者納米顆粒形貌中，形成了緊密接觸的金屬-半導體界面結構及具有準單晶特性的半導體殼層。該合成策略可以實現對核殼納米晶中金屬核與半導體殼層各自獨立的形貌、尺寸調控。這些獨特的界面與結構優勢極大提高了金屬SPs與半導體激子的耦合性能。
圖1 精準合成Au@CdS核殼納米晶並實現高效的熱電子注入效應。
然後與中科院物理所、清華大學、美國加州大學洛杉磯分校、北京航空航天大學等多個單位團隊聯合攻關，在SPs熱電子注入效率方面實現了突破。根據飛秒中紅外瞬態吸收光譜的研究結果、對比實驗，結合有限元模擬（FEM）及計算，所合成的Au@CdS核殼納米晶中熱電子從Au的SPs注入CdS導帶的效率高達48%。 表明原子級調控的金屬-半導體異質界面能有效避免界面缺陷與雜質引起的光生載流子複合。基於以上優異特性，所合成的Au@CdS核殼納米晶在可見光下表現出高效的光催化產氫性能，其活性比傳統方法合成的Au@CdS核殼納米晶提高了2-3個數量單位，說明該新型合成方法在太陽能轉化與利用研究中具有廣闊的發展前景。相關成果以「Metal@semiconductor core-shell nanocrystals with atomically organized interfaces for efficient hot electron-mediated photocatalysis」為題在Nano Energy 雜誌發表 (Nano Energy 2018, 48, 44-52).
張加濤研究團隊圍繞半導體納米異質結構的化學合成及構效關係進行了大量研究。針對精準的異價摻雜問題，建立了膦配位的陽離子交換反應製備摻雜量子點新方法，實現了導電類型/摻雜發光調控、光磁耦合性能，解決了量子點異價摻雜難題，引起國際量子點同行高度評價和跟蹤研究；針對大晶格失配下異質界面問題，發展了陽離子交換法合成摻雜/異質界面協同調控的金屬/半導體異質納米晶的方法，揭示其光化學能轉換機理，實現了其光催化、光電催化等應用。一作或通訊作者在Nature、Science、Nature Nanotech.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊發表SCI論文50餘篇，受邀專著/章節4部，研究工作他引2200多次。
本研究得到國家自然科學基金(51631001, 21633015，91323301, 51372025, 51702016, 51501010, 21643003)的資助; 本工作也得到了美國亞利桑那州立大學劉景月教授在高分辨TEM 測試方面的支持。在此一併表示感謝。
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北京理工大學材料學院通訊錄
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