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ChemNanoMat:成核溫度依賴的CuInSe2同質異相結構納米晶的可控合成2022-07-20
在半導體納米晶中,形貌、尺寸、化學組成和晶體結構對其能帶結構等物理化學性質具有決定性的作用。晶體結構代表材料原子排布的周期性,對半導體材料的能帶結構和光學性能具有重要影響。同質異相結構納米晶集合最少兩種的晶體結構在同一個納米顆粒中,不同晶體結構的電子結構差異可使其表現出不同于單一相納米顆粒性能。

CuInSe2(CISe)納米晶具有低毒性、較高的光吸收系數和較寬的光譜吸收范圍等優勢在太陽能電池、光電催化、光電探測器等光電器件領域展現出巨大的應用潛力。然而,同質異相結構CISe納米晶的精準合成仍然存在挑戰。

北京科技大學田建軍教授與香港城市大學Andrey Rogach教授團隊在ChemNanoMat上報道了一種同質異相結構CISe納米晶的合成方法,通過形核溫度調控同質異相納米晶的形貌和尺寸,得到四足狀結構、核殼結構和中空結構的CISe納米晶。

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圖1 同質異相結構CISe納米晶的尺寸和形貌隨形核溫度變化示意圖

研究表明,同質異相結構CISe納米晶均由黃銅礦相(CP)核和纖鋅礦相(WZ)臂/殼組成,其形貌、尺寸及相組成受成核溫度的影響,如圖1所示。在較低的成核溫度時,形成CISe納米片和六邊形/方形納米晶;提高成核溫度至230℃時,形成具有CP-CISe核和WZ-CISe臂的四足狀CISe納米晶,隨溫度的升高CP核的尺寸明顯增加而WZ臂的長度明顯減小(250℃);當成核溫度升高至280 ℃時,其WZ臂進一步變短至幾納米而形成CP/WZ同質異相的CISe核殼納米晶;當成核溫度達到300 ℃時,Cu前驅體首先被還原成Cu納米顆粒,In和Se前驅物在Cu納米顆粒表面吸附開始反應形成CISe。基于Kirkendall效應,反應過程中不同前驅物離子遷移速率不同,最終形成中空CISe納米晶。

一般來說,CP相是CISe的熱力學穩定相,WZ相是亞穩態相,成核溫度升高有利于CP相CISe的形成,且CP相CISe納米晶的尺寸隨溫度升高逐漸變大,因此,同質異相結構CISe納米晶中CP相的比例增大。同時較高的反應溫度提供了克服勢壘的能量,剩余的前驅物在CP相CISe核表面形成亞穩態的WZ-CISe。該工作提供了一種制備同質異相結構納米晶的新方法,對研究相結構對半導體納米晶的物理化學性能具有重要意義。

文信息

Nucleation Temperature-Dependent Synthesis of Polytypic CuInSe2?Nanostructures with Variable Tetrapod-Like and Core-Shell Morphologies

Fei Huang, Jiajia Ning, Jianjun Tian, Andrey L. Rogach

ChemNanoMat

DOI:?10.1002/cnma.202200112

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