大学生研究性学习和创新性试验计划项目申报表项目名称 - 图文

第六届大学生研究性学习和创新性实验计划项目

申 报 表

项目名称 项目类别 项目主持人 学生所在学院 专业班级 指导老师 填表日期

半导体异质结的能带调控研究 创新训练项目√□ 创业训练项目□

张发远

材料与光电物理学院 2011级物理学二班

曹觉先 2013年3月16号

湘 潭 大 学 教 务 处 制

项目名称: 半导体异质结的能带调控研究 学生姓名 张发远 张轼 刘云峰 张伟伟 专业名称 物理学 物理学 物理学 物理学 曹觉先 性别 男 男 男 男 教授 学 号 2011701211 2011701222 2011701214 2011701219 物理学 指导教师 职称 学科专业 学生曾经参与科研或创业的情况 此为首次参与 指导教师承担科研课题情况 曹觉先教授多年来致力于纳米结构材料、半导体超晶格材料、稀磁半导体、磁致伸缩材料等磁性材料的物性研究。曾发展了sp3s*轨道杂化理论、转移矩阵方法、晶格动力学理论以及第一性原理等方法研究了碳纳米管、Si 纳米线等的结构与物理性能，获得了与实验很好相符的结论。发展了计算磁晶各向异性的扭矩法、能带刚性模型，并在FLAPW，VASP程序中增加了相关功能，大大加快计算速度，提高了计算精度，为磁性材料设计提供了方便。目前， 在Science， Acs Nano, Phys. Rev. Lett., Phys.Rev. B, Appl. Phys. Lett.等国内外杂志发表论文50 余篇，其中全部为SCI收录，其中包含Science 1篇，Phy. Rev. Lett. 1篇，Acs Nano 1篇，Phys. Rev. B 14 篇和Appl. Phys. Lett. 3篇。学术论文被国内外同行引用500多次。先后获得湖南省科技进步奖二等奖、三等奖各一次。目前主要承担下列项目研究： 1、国家自然科学基金：基于过渡金属超高密度磁性存储单元的理论设计与性能模拟（编号：11074212），主持，2011-2013年 2、湖南省科技厅：新型超高密度磁性存储结构单元的理论设计（编号：10B104），主持，2011-2013年 3、国家自然科学基金（重点）：铁电薄膜及其存储器中界面与应变效应的研究（编号：11032010），骨干参与，2011-2014年 项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题 项目的立论依据: 氢能源是一种高效清洁的新型能源，倍受研究者的关注。然而，阻碍氢能源工业化的主要瓶颈是如何高效率的制备氢气[1-3]。当前氢能源的制备主要有三种途径：(i)石化能源重整；(ii)生化制氢；(iii)利用太阳能制备氢气[4]。第一种方式是当前工业制备氢气的主要途径，显然该种途径主要依赖煤、石油、天然气等化石能源的重整来获取。该种途径完全依赖现有非可再生资源的消耗，另一方面容易造成环境污染，而且容易导致催化剂中毒，不易于氢能源的持续可再生产。而利用太阳能制备氢气，其原料仅仅需要水，而氢能源的主要产物也只有水，这不仅不会产生任何环境污染，而且可保证持续生产。因而是一种非常理想的绿色生产与消耗途径。近年来，各国竞相发展光催化制备氢能源的关键技术与工业[6,7]。然而这一技术对太阳光的利用效率较低，其主要原因是光催化过程中使用的半导体如TiO2、ZnO、GaN均为宽带隙半导体(>3.0eV)，因而只能集中利用紫外波段（约占4%）的太阳光[8-10]。如何降低传统半导体的带隙，充分利用太阳能成为了光催化制备氢气的关键科学问题。当前，许多研究学者提出掺入各种杂质元素，在宽带隙半导体中引入中间能级，从而试图增强光吸收而提高太阳能的利用。例如在TiO2中掺入杂质离子以降低其禁带宽度。实验表明，在掺杂浓度较低的情况下，确实可以提高光催化效率[11]。但高浓度下，其光催化效率将大大降低，其主要原因是杂质的引入同时会增加电子与空穴的复合中心，从而大大降低了金属掺杂的TiO2 的光催化效率[12-13]。另一方面，掺杂合成方法比较单一，一般是溶胶——凝胶，合成工艺比较复杂，很难实现大规模生产。此外，掺杂后TiO2的应用方面还处在理论探索阶段，离实际应用还有很远的距离。事实上，光催化分解水主要取决于两部分因素。其一为光吸收导致电子-空穴对的产生；其二为电子-空穴对的有效分离。要充分吸收太阳光产生电子-空穴对，这要求光催化的半导体的带隙在1.8—3.0eV。考虑到电子-空穴有效分离因素，我们将设计表面多重结构和半导体超晶格光催化半导体材料，为光催化制备氢气提供理论指导。 近年来，研究学者开展了对半导体超晶格或半导体异质结的研究，研究表明半导体异质结使吸收波长大大红移，光催化活性提高，这可归因于不同能级半导体间光生载流子易于分离[14]。此外，半导体异质结的晶型结构也使光催化活性得到提高。柳清菊等[15]采用溶胶-凝胶法及浸渍提拉法在普通载玻片上制得了TiO2/Fe2O3复合薄膜，分析结果表明：复合薄膜均优于纯TiO2薄膜的光催化活性，Fe2O3物质的量分数为0.5%时光催化活性最好。李昱昊等[16]采用浸渍法制备了CdS/TiO2 复合半导体光催化剂，对样品的表面组成及光吸收特性进行了分析，结果表明，样品中的硫主要以CdS 形式存在，其外层包裹了一层CdSO4；由于在TiO2 表面修饰了CdS，使样品的吸收带边由400 nm (3.1 eV)红移至530 nm（2.3 eV)。梅长松等[17]用溶胶–凝胶和浸渍–还原相结合方法制得M/WO3–TiO2(M=Pd，Cu，Ni，Ag)光催化剂，分析结果表明，金属负载在复合半导体上延迟了TiO2 由锐钛矿向金红石相转化，增强W与载体TiO2 的相互作用，使TiO2 对可见光部分的吸收明显增加；固体材料吸光性能强弱顺序：Pd/WO3-TiO2 > Cu/WO3-TiO2 > Ag/WO3-TiO2 > Ni/WO3-TiO2。尽管这些研究表明，半导体异质结能有效提高光催化活性和有效地降低体系的禁带宽度，但对半导体异质结或者超晶格的能带结构调控缺乏具体认识。在本创新实验中，我们将通过第一性原理方法，系统研究半导体超晶格的能带结构，探索引起半导体超晶格能带结构变化的基本因素，并总结其规律，为设计光催化材料奠定理论基础。 参考文献： [1] U. Diebold, Photocatalysts: Closing the gap, Nature Chemistry 3 (2011) 271-272. [2] Khaselev, J. A. Turner, A Monolithic Photovoltaic-Photoelectrochemical Device for Hydrogen Production via Water Splitting, Science 280 (1998) 425-427. [3] Fujishima, K. Honda, Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode, Nature 238 (1972) 37-38. [4] W. H. Zhu, X. F. Qiu, V. Iancu, X. Q. Chen, H. Pan, W. Wang, N. M. Dimitrijevic, T. Rajh, H. M. Meyer III, M. P. Paranthaman, G. M. Stocks, H. H. Weitering, B. H. Gu, G. Eres and Z. Y. Zhang, Band Gap Narrowing of Titanium Oxide Semiconductors by Noncompensated Anion-Cation Codoping for Enhanced Visible-Light Photoactivity, Physical Review Letters 103 (2009) 226401(4) [5] W. J. Yin, S. H. Wei, M. M. Al-Jassim and Yanfa Yan, Double-Hole-Mediated Coupling of Dopants and Its Impact on Band Gap Engineering in TiO2, Physical Review Letters 106 (2011) 066801(4). [6] D. L. Lu, K. Teramura, D. Lu, T. Takata, N. Saito, Y. Inoue, K. Domen, Photocatalyst releasing hydrogen from water, Nature (London) 440 (2006) 295. [7] M. Gratzel, Photoelectrochemical cells, Nature (London) 414 (2001) 338-344. [8] N. S. Lewis, Light work with water, Nature (London) 414(2001)589-590. [9] A. J. Nozik, Photoelectrolysis of water using semiconducting TiO2 crystals, Nature (London) 257(1975)383-386. [10] R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki, K. Aoki, Y. Taga, Visible-Light Photocatalysis in Nitrogen-Doped Titanium Oxides, Science 293 (2001) 269-271. [11] M. Hara, T. Kondo, M. Komoda, S. Ikeda, K. Shinohara, A. Tanaka, J. N. Kondo and K. Domen, Cu2O as a photocatalyst for overall water splitting under visible light irradiation, Chemical. Communications, 3 (1998)357-358. [12] A. Paracchino, V. Laporte, K. Sivula, M. Gratzel and E. Thimsen, Highly active oxide photocathode for photoelectrochemical water reduction, Nature Material 10 (2011)456-461. [13] G. Nagasubramanian, A. S. Gioda and A. J. Bard, Photoelectrochemical behaviour of P-type CuO in acetonitrile solutions, Journal of The Electrochemical Society 128(1981) 2158-2164. [14] Bikiaris D,Aburto J,Alric I,et al.[J].Journal of Applied Polymer Science，1999，71：1089–1100. [15] Maarit Tarvainen，Riitta Sutinen，Soili Peltonen，et al. [J]. European Journal of Pharmaceutical Sciences，2003，19：363–371. [16] 汤化钢，夏文水，袁生良.[J].食品与机械，2005，21(1): 4-7. [17] Wolf B W，Wolever TMS，Bolognesiet C，et al. [J]. J. Agric. Food Chem.，2001，49(5)：2674–2678.