新型半导体纳米材料实现高效光化学转化

近日，科技日报记者从中国科学技术大学获悉，该校俞书宏教授课题组与合作者合作，设计了一种“脉冲式轴向外延生长”方法，成功制备了尺寸、结构可调的一维胶体量子点-纳米线分段异质结，利用ZnS纳米线对CdS量子点的晶面选择性钝化作用，可同时实现量子点表面的有效钝化和光生载流子的有效转移。该研究成果近日发表在《自然·通讯》杂志上。

设计新型半导体纳米材料以捕获太阳能并实现高效光化学转化，是解决当前全球能源与环境危机的一种理想途径之一。胶体量子点具有尺寸可调的光学和电学特性，因而作为一种重要的光催化剂材料在太阳能转化领域备受青睐。

然而，胶体量子点的表面悬挂键会导致大量的陷阱态，从而将载流子强烈局域化并阻碍其进一步参与表面化学反应。目前，如何同时实现量子点表面钝化和电荷转移仍然面临挑战。

研究团队基于此前他们在液-固-固相催化生长一维纳米异质结构的工作基础，提出了一种“脉冲式轴向外延生长”合成胶体半导体纳米晶的新策略。理论计算表明，Zn和Cd原子在Ag2S固相催化剂中的嵌入能差异使得在Cd前驱物存在时能够优先生长CdS，因而可通过控制Cd前驱物的加入调控CdS量子点-ZnS纳米线的结构参数。

该方法具有高度的灵活性，可对量子点的尺寸、数量、间距和晶相进行精准控制。研究者发现ZnS纳米线选择性钝化CdS量子点晶面以后，降低了载流子局域化程度，延长了载流子寿命，有利于载流子迁移至催化剂表面进行反应。

这项研究为今后设计开发新型高效光催化剂提供了新途径。此外，该合成策略还有望拓展到其他胶体量子点体系，并通过完善合成方法实现其结构参数的精细调控，预期在激光、单光子源以及单电子探测等方面展现出独特的应用价值。