基于晶面角度深入理解半导体材料均相碳掺杂机理

异原子掺杂能够修饰能带结构，提高半导体材料催化活性。目前的大多掺杂工作主要聚焦于掺杂和活性之间的构效关系，鲜有掺杂机理的探索。掺杂在本质上是一种异相反应，因此与材料的表界面性质有密切联系，例如晶面暴露。探索掺杂机理的挑战主要源于掺杂模型材料（尤其是具有较高暴露晶面的掺杂材料）的缺乏。

为了解决这一挑战，华中师范大学博士研究生李杰在国家杰出青年基金获得者张礼知教授的指导下，通过采用先水热碳化、后煅烧的两步法制备出高暴露{001}和{010}晶面的均相碳掺杂BiOCl纳米片，并以此样品为掺杂模型，使用氩气刻蚀的X射线光电子能谱技术追踪了碳元素在水热和热煅烧过程中的迁移路径。研究表明，水热反应能诱导含碳类物质嵌入到BiOCl浅表面，而热煅烧驱动这些含碳类物质分解，进而取代晶格中的氯。进一步的分析发现，表面原子结构和内部原子排列结构是影响均相碳掺杂的两个关键因素。晶面的表面原子结构主要影响含碳类物质在浅晶格中的吸附模式和植入，原子在不同晶面内部的排列方式则决定碳元素在晶格中的扩散速度以及氯取代效率。

在相关研究结果的基础之上，该研究团队提出了一种基于掺杂前驱体在材料浅表面预先嵌插的新掺杂模型。相比于低掺杂效率的“表面吸附-注入晶格”传统掺杂模型，该掺杂模型能够实现高效的异原子掺杂。这些研究成果深化了研究者对于掺杂过程的认识，为高效掺杂材料的设计提供了有效指导。相关结果发表于《Advanced Functional Materials》上。

以上研究得到了国家杰出青年基金项目和973项目等资助。

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201404178/abstract