半导体纳米晶掺杂能级及掺杂发光有效调控的新途径

半导体之所以能被广泛应用在光电产品世界中，凭借的就是在其晶格中植入杂质改变其电性，调控半导体纳米晶体的光、电、磁性质，实现高效率发光器件、太阳能电池、自旋电子器件等新型光电子器件的应用。纳米晶体积小，生长速度快，因为 “自清洁”问题（self-purification），掺入的杂质原子很容易迁移到表面。因此，开发低温、绿色的方法，实现半导体纳米晶的深度取代掺杂而不是表面掺杂，避免“自清洁”问题，而且做到掺杂离子浓度的有效调控，尤其是异价金属离子的取代掺杂(substitutional doping)，实现纳米晶的n-型（多数电子）或p-型（多数空穴）导电，是掺杂亟需解决的科学难题。

图1. 张加涛课题组利用一种全新的配位阳离子交换反应实现半导体纳米晶中深度位置异价掺杂，掺杂发光及掺杂能级的新方法及展望。

来自于北京理工大学的张加涛（点击查看介绍）课题组采用一种不同于以往的阳离子交换方法，充分利用不同过渡金属离子的配位活性差别，实现了被掺杂离子化合物纳米颗粒与目标半导体阳离子可控交换后，被掺杂离子在深度位置的可控剩余及取代性掺杂。该方法实现的高效掺杂发光以及p-型，n-型掺杂能级的有效调控，有望为解决半导体量子点中的“自清洁效应”、“自吸收效应”、以及“自补偿效应”等问题提供新的途径。

鉴于该研究团队的研究进展， Journal of Physical Chemistry Letters 杂志邀请其撰写了题目为“Heterovalent doping in Colloidal Semiconductor Nanocrystals: Cation Exchange-Enabled New Accesses to Tuning Dopant Luminescence and Electronic Impurities”的Perspective论文（J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 4943-4953）。并被邀请以杂志封面和视频形式在美国化学会（ACS）网站进行了专题报道。

该前瞻性综述论文回顾了近些年来阳离子交换法制备异价掺杂半导体纳米晶研究进展，包括新型液相制备方法以及原子分辨的高分辨电镜表征技术，EXAFS等同步辐射光源原子环境表征研究以及飞秒瞬态吸收光谱（TA），紫外光电子能谱（UPS）等研究弛豫过程的研究进展。展望了阳离子交换法在Ⅱ-Ⅵ族，Ⅲ-Ⅴ族、氧化物纳米晶中实现异价掺杂，从而获得高效掺杂发光，掺杂能级调控方面的巨大前景。并就在这些掺杂量子点或纳米晶的表面改性、自组装成膜等研究的跟进基础上，实现其在荧光聚集器（LSC）、发光二极管（LED）、场效应管（FET）等新能源器件方面的应用进行了展望。

图2. 异价掺杂半导体纳米晶的应用展望

该研究得到了国家自然科学基金委“优秀青年基金”(21322105)，面上项目(51372025)，重大集成项目(91323301)以及重点项目(51631001)的资助。

该论文作者为：Jiatao Zhang, Qiumei Di, Jia Liu, Bing Bai, Jian Liu, Meng Xu, and Jiajia Liu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Heterovalent Doping in Colloidal Semiconductor Nanocrystals: Cation-Exchange-Enabled New Accesses to Tuning Dopant Luminescence and Electronic Impurities

J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 4943-4953, DOI: 10.1021/acs.jpclett.7b00351

论文及视频介绍链接

http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acs.jpclett.7b00351

张加涛教授简介

张加涛教授，北京理工大学教授，博士生导师。2006年于清华大学化学系李亚栋院士课题组获得博士学位。2006年9月-2007年12月，德国卡尔思鲁厄大学无机化学研究所Dieter Fenske院士课题组博士后，2008年1月至2011年1月在美国马里兰大学物理系Min Ouyang 教授课题组Research Associate 工作。2011年3月以海外高层次人才引进，被聘为北京理工大学首位徐特立特聘教授。

张加涛教授的主要研究领域为无机纳米材料化学，围绕半导体纳米晶异价掺杂、异质界面精准合成化学及光电、新能源应用开展研究。第一作者或通讯作者在Nature、Science、Nature Nanotech.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv.Mater.、Nano Lett.、NPG Asia Mater.、J. Phys. Chem. Lett. 等国际顶级学术期刊上发表SCI论文40余篇，受邀专著/章节4部，授权国内、国际专利5个，研究工作已被他人引用2000多次。工作被Nature、Science、Nature Mater.、Nat. Commun.、PRL、Nano Lett. 等许多国际著名学术期刊论文引用和报道。同时也被Nature、ACS、Wiley、MRS、Science Daily、Nanotechnology Now等数十家学术组织、科技新闻杂志或网站进行专题报道。组织国内/国际会议10余次，参加国际、国内著名会议（特邀报告/口头报告）30余次。国际会议优秀论文奖3人次。曾获得“北理工科技工作先进个人”、“中国材料研究学会先进工作者”等荣誉称号。作为项目负责人/研究骨干主持/参与包括国家自然基金委重大研究计划、重点项目、优青、面上、培育项目等5项，省部级科研项目3项。已培养北理工优秀博/硕士论文5人次（2名优秀博士论文，3名优秀硕士论文）。2011年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。2012年入选“北京市优秀人才”。2013年入选国家自然科学基金委优秀青年基金。

张加涛教授担任北京理工大学结构可控先进功能材料与绿色应用北京市重点实验室主任。北理工-昆士兰能源材料联合研究中心主任。目前担任中国材料学会理事、党委委员，纳米材料与器件分会副秘书长，Prog.in Nat.Sci: Mater.Inter.、Rare Metals两个SCI期刊的编委委员，中国科学技术协会第九届全国代表大会代表等职。是Nat.Commun.、JACS、Adv.Mater.、Adv.Funct.Mater.、ACS Nano、Small、Nano Scale、Nano Res. 等顶级期刊杂志的审稿人。

http://www.x-mol.com/university/faculty/47861