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1、江苏省普通高校学术学位研究生科研创新计划项目申报书申 请 人： 王浩研究生层次：博士研究生 硕士研究生一级学科名称： 光学工程二级学科名称： 光学工程研 究 方 向 ：多功能材料特性研究与应用申请项目名称：In203 半导体纳米材料LAL掺杂及其光学性能的研究指 导 教 师 ： 刘培生所 在 学 校 ： 南通大学江 苏 省 学 位 委 员 会 制表江 苏 省 教 育 厅二O一四年四月填 表 说 明一、填写本表前，应先仔细阅读江苏省普通高校研究生科研创新计划项目实施与管理办法等有关文件及本说明，务必实事求是填写。二、填写本表栏目时，如需要可加附页。三、本表所有信息必须全部填写，不存在的内容一律填
2、“无”。1项目概况 项目名称 In203 半导体纳米材料LAL掺杂及其光学性能的研究项目类别 A.人文社科项目B.自然科学项目 起止年限 2014年 7 月至 2015年 7 月二级学科代 码 080300 二级学科名称 光学工程 重点学科 国家级 省 级 申请人 姓 名 王浩 性别 男 出生年月 198908 博（硕）士入学年月 201309所在院系 理学院 联系电话 18260598203 电子信箱 一、立项依据（包括项目来源，研究意义，国内外研究现状、水平和发展趋势等）1.研究意义半导体金属氧化物是一种用途十分广泛的功能材料，被大量用于涂料、催化、电子、传感器等重要工业领域。但由于其自身
3、的缺点（如：作为气敏材料具有检测灵敏度低、选择性差、工作温度高；而作为光催化剂具有可见光利用率低等），进而限制了其潜在的应用价值。因此，对半导体金属氧化物进行掺杂改性显得十分重要。本项目组针对典型宽带隙半导体纳米材料In203的“反向”掺杂、能带调控等问题，探索基于LAL（液相激光熔蚀法）掺杂的新方法。我们将发挥LAL非平衡性的特点，研究LAL参数、掺杂金属类型（如：Sn，Ga，V，Cr，Ti等）等因素对In203半导体纳米材料的光学性能的影响，并探索其在光电半导体，紫外光子探测器等方面的可能的应用。这些研究有可能为宽带隙半导体纳米材料发展提供新思路和新方法。2.国内外研究现状和发展趋势近几十
4、年来，半导体金属氧化物（特别是微电子和光电子领域）最受关注的一个研究课题是如何在金属氧化物中引入掺杂粒子，从而能控制它的性能达到所需。现代微电子技术的成功和其他许多相关知名企业的发展很大程度上都归因于半导体内的可控掺杂效应。在此背景下，掺杂效应的重要性也自然而然的体现出来。正如人们期待的那样，通过金属掺杂可以显著提高半导体金属氧化物的性能（如：铁磁性质，光敏性质，光催化性质等）。国内外关于半导体金属氧化物（如：ZnO，Fe2O3，SnO2，TiO2等）掺杂进行了大量深入的研究。如通过在ZnO中掺杂Al，Ag，Ga，B，In，Fe等金属离子，会显著影响其铁磁性1-3，光催化4-5，光电学6-9，
5、气敏性10-11等性能。梁长浩和蔡伟平研究组通过对Fe2O3掺杂Mn，2Ni，Zn，Ge，Si，Sn，Ti等金属离子，并研究了激光参数，不同掺杂金属等对-Fe2O3形貌，光电特性等的影响12-14。YongfengLi研究小组对Cu掺杂SnO2薄膜的稳定的铁磁性进行了研究15。总而言之，金属氧化物掺杂是提高改进半导体纳米材料性能的一种重要有效方式。此前关于金属氧化物掺杂主要有溶胶-凝胶法，电化学沉积法等方法，本课题将探索基于LAL（液相激光熔蚀法）掺杂的新方法。液相激光熔蚀（laserablationinliquid,LAL）作为一种极端条件下的新型纳米制备技术已经在有着重大应用需求前景的新型
6、（特种）纳米材料制备和功能纳米结构组装方面发挥着越来越大的作用，并且受到越来越多材料科学家的关注，被认为是一种极具发展潜力而且功能强大的纳米材料制备新技术。我们将液体环境的激光熔蚀即液相激光熔蚀（LAL）这种特殊极端条件下的相互作用引入到纳米尺度亚稳相材料的制备，即在温和环境中如常温常压下产生局域的极端条件进行特种纳米材料如亚稳相的制备，已经发展了一系列基于LAL的纳米材料和纳米结构制备新技术，采用这些方法，我们制备了一系列有着重大应用需求前景的新型（特种）亚稳纳米材料和纳米结构16-19。而且更为重要的是, 我们研究发现： LAL能够成为具有尺度、形貌、结构和缺陷/杂质态可控的纳米材料制备、
7、以及原位对所制备纳米构筑砖块进行组装的一种新型纳米制备技术。本项目组主要研究金属氧化物In2O3的LAL掺杂。金属氧化物In2O3是n型半导体材料，具有较高的禁带宽度、较小的电阻率和较高的催化活性。In2O3晶胞中含16个In2O3分子，铟离子构成面心立方格子，氧离子占据格子中的四面体间隙位置的3/4，1/4空着。空的四面体间隙位置在晶格以a=1.0118nm作周期性地重复排列，a刚好是铟面心立方子格子边长的2倍20。基于In2O3的上述性质，我们将充分利用LAL独有的热力学（远离平衡或高度非平衡）和动力学（快速淬灭或瞬态过程）特点，发挥其在亚稳相、独特缺陷和杂质态的获得与调控方面的极大潜力。
8、针对典型宽带隙半导体纳米材料In203的“反向”掺杂、能带调控等问题，探索基于LAL（液相激光熔蚀法）掺杂的新方法。我们将发挥LAL非平衡性的特点，研究LAL参数、掺杂金属类型等因素对宽禁带半导体纳米材料In203的光学性能的影响，并探索其在光电半导体，紫外光子探测器等方面的可能的应用。参考文献：1H.Bieberetal.,ThinSolidFilms545(2013)488495.2M.Heetal.,AppliedPhysicsLetters99,222511(2011).3Yong-JuneChoietal.,AppliedSurfaceScience269(2013)9297.4Pe
9、ishengLiuetal.,J.Phys.Chem.C2008,112,1962019624.5NinaV.Kanevaetal.,AppliedSurfaceScience257(2011)81138120.6JunjunJiaetal.,JournalofAppliedPhysics112,013718(2012).37Jun-ichiNomotoetal.,ThinSolidFilms534(2013)426431.8RaminYousefietal.,CeramicsInternational38(2012)62956301.9ZhiyunZhangetal.,Superlattic
10、esandMicrostructures49(2011)644653.10AngYuetal.,SensorsandActuatorsB158(2011)916.11 戴护民,桂阳海气、光敏材料ZnO的掺杂改性研究材料导报,2006,6（6）：20.12ChanghaoLiangetal.,NanoEnergy(2013)2,328336.13ZhigangLietal.,J.Nanosci.Nanotechnol.2009,Vol.9,No.5.14Z.Lietal.PhysicaE40(2008)680683.15YongfengLietal.,AppliedPhysicsLetters1
11、00,172402(2012).16PeishengLiuetal.,MaterialsLetters64(2010)20332035.17PeishengLiuetal.,Nanotechnology20(2009)285707.18PeishengLiuetal,Trans.NonferrousMet.Soc.China19(2009)s743s747.19PeishengLiuetal,J.Phys.Chem.C2008,112,3261-3266.20 张向超,杨华明,等.固相合成In203纳米晶及动力学的研究J.稀有金属,2004,28(5):862.4二、研究目标、研究内容和拟解决
12、的主要问题2.1研究目标（1）发展出In203半导体纳米材料LAL掺杂的新方法。（2）揭示In203半导体纳米材料电子结构的LAL调控机制。2.2研究内容（1）探索In203半导体纳米材料LAL均相生长机制。（2）研究LAL参数，掺杂金属类型等因素对In203半导体纳米材料的光学性能的影响。（3）探索In203半导体纳米材料在紫外光子探测器等方面的可能的应用。2.3拟解决的主要问题（1）LAL过程中纳米相的生长机制。纳米材料在不同脉宽脉冲激光LAL过程中的生长机理是不同的。我们拟开展LAL过程中纳米相成核热力学和生长动力学理论的研究，探索LAL纳米相生长机制，为LAL纳米材料设计和制备提供理论
13、基础。（2）LAL纳米材料制备中尺度、形貌、结构和缺陷/杂质态的控制。主要是考察LAL过程中，激光参数调节、液体环境的选择和靶材料的设计等因素对纳米材料生长（尺度、形貌、结构和缺陷/杂质态）的影响，以期实现纳米材料的LAL可控制备。5三、课题的研究思路与方法、技术路线、试验方案（含创新性）及其可行性分析3.1研究思路与方法（1）In203半导体纳米材料的LAL掺杂与电子结构调控，主要通过激光参数、靶材和介质三条途径实现。（2）In203半导体纳米材料的LAL均相生长机制的研究，主要通过实验分析LAL等离子体羽和缺陷/杂质态的关联。（3）LAL制备的In203半导体纳米材料的紫外光电探测器件研究
14、，主要通过颗粒膜组装和电极制作方法来组装光探测器，开展“结构-性能”关系的研究。3.2 本课题的创新点本项目将发展独具特色的纳米材料非平衡过程掺杂方法。充分利用LAL独有的热力学（远离平衡或高度非平衡）和动力学（快速淬灭或瞬态过程）特点，发挥其在亚稳相、独特缺陷和杂质态的获得与调控方面的极大潜力。基于我们在此方面已经有了很好的研究积累，因此，我们有望在In203半导体纳米材料LAL掺杂制备等方面取得重要突破。3.3可行性分析（1）我们组近年来在活性金属及其氧化物胶体纳米晶的LAL合成，和相关功能纳米结构的LAL组装研究方面取得了一系列的重要进展。（2）在纳米相LAL生长理论研究上,我们有着很好
15、的研究基础。（3）在基于LAL高度非平衡性的半导体纳米材料独特缺陷态获得与相关光电性质方面，我们已经开展了一系列的研究工作，为本项目拟开展新功能材料的制备与应用奠定了很好的基础。四、研究工作的总体安排及进度2014.7-2014.10 探索In203半导体纳米材料的LAL均相生长机制。2014.11-2015.1 研究LAL参数，掺杂金属类型等因素对In203半导体纳米材料的光学性能的影响。2015.2-2015.4 探索LAL电子结构调控的In203半导体纳米材料在紫外光子探测器等方面的可能应用。2015.5-2015.7 整理实验数据，撰写论文，准备验收。6五、研究工作的预期成果及成果提交
16、形式（1）制备出具有独特杂质态和高合金组分的In203半导体纳米材料，并应用于紫外光探测纳米结构器件。（2）发表2篇以上论文，至少两篇SCI。六、研究基础和工作条件（申请人与本课题有关的研究成果，含承担项目、发表论文、获奖、国内外评价与引用情况；现有的主要仪器设备、研究技术及协作条件等）本课题组开展了LAL制备新型氧化物半导体纳米材料及其特性的研究，尤其是近年来开展了LAL非平衡性诱导的半导体纳米颗粒缺陷与杂质态的研究，将液相激光烧蚀方法拓展到氧化锌及其芯壳结构等半导体纳米颗粒的制备。在理论研究方面，我们在纳米尺度下材料生长的物理基础研究方面有较丰富的研究经验。这些都为本项目的顺利展开提够了充实的基础。本课题组实验室主要仪器设备：准分子激光器、Nd:YAG-染料激光器，可以输出1064、532、355nm 等波长的激光，功
