上海光源XAFS线站用户在II-VI半导体纳米晶的异价掺杂及光、电学性能调控研究中取得重要突破

北京理工大学张加涛教授课题组、北京航空航天大学郝维昌教授课题组与中科院化学所、中科院物理所、北京科技大学、上海光源XAFS线站等多个课题组联合攻关，在半导体纳米晶的异价掺杂及光、电学性能调控研究上取得了重要突破，该项成果于2015年3月27日在《先进材料》杂志上在线发表（http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201500247/full）。 

半导体之所以能被广泛应用在今日的光电产品世界中，凭借的就是在其晶格中掺杂少量的杂质改变其电性，优化半导体纳米晶体的光、电、磁特性。半导体的掺杂研究为高效率发光器件、太阳能电池、自旋电子器件等新型光电子器件的制造奠定坚实的基础。由于纳米晶体积小，纳米晶体中杂质原子的非均匀分布对器件的工作性能和稳定性存在负面的影响。另外，由于纳米晶体生长速度快，使掺杂过程较难控制。目前的研究表明，半导体纳米晶中的存在三种不利于掺杂机制主要包括：“自清洁”效应（self-purification），无掺杂半导体纳米晶荧光的“自淬灭”效应（self-quenching）和相反电荷类型的缺陷中心对掺入杂质的“自补偿”效应（self-compensation）。因此在II-VI族半导体纳米晶中实现具有稳定的掺杂能级，高效掺杂发光，以及n型（多数电子）与p型（多数空穴）导电类型的可控面临重大的挑战，是尚未有效解决的科学难题。

该联合小组开发了一种低温、高效的全新离子交换法（如图1所示），实现了异价金属离子（如Ag⁺，Cu⁺等）在II-VI族半导体纳米晶（尺寸范围从量子点到微米片）中的深度、稳定的取代性掺杂，进而实现了高效、高纯度的掺杂发光，绝对量子产率达42%，掺杂发光能够稳定一年以上。进一步的研究表明该方法具有普适性和很好的应用前景。张加涛课题组还与意大利Milano-Bicocca大学Sergio Brovelli博士联合，开发此类掺杂纳米晶在新太阳能转换材料光伏窗户（Photovoltaic windows）方面的应用，有望取得大的突破（如图2所示）。

图1. 全新的离子交换法实现M离子在II-VI半导体纳米晶中的掺杂

上海同步辐射光源为该研究提供了重要的技术支撑。课题组在BL14W1- XAFS光束线站获取了Ag、Cu、Cd元素K边的X射线吸收谱精细解构（XAFS），高质量的实验数据证明了Ag（I）、Cu（I）离子在II-VI族半导体纳米晶中取代Cd的取代性掺杂（如图3所示），为通过此种新型离子交换法实现异价金属离子在半导体纳米晶中的取代性掺杂及普适性推广提供了重要的实验证据。在该工作中，BL14W1线站科技人员积极参与，在实验和数据处理两个方面提供了相应的专业技术支持，为成果的发表做出了积极贡献。（材料与能源部 供稿）

图2. II-VI半导体纳米晶的异价掺杂、掺杂发光、p/n导电类型调控及光伏玻璃

图3掺杂原子 Cu(I),Ag(I)在CdS纳米晶中的XANES和EXAFS表征