纳米光电材料张严芳 20926072一、概述1.1 纳米光电材料纳米材料是一种粒子尺寸在1到100nm的材料。

纳米光电材料是指能够将光能转化为电能或化学能等其它能量的一种纳米材料。

其中最重要的一点就是实现光电转化。

其原理如下：N型半导体P型半导体图1. 光照下半导体电压的产生原理图光作用下的电化学过程即分子、离子及固体物质因吸收光使电子处于激发态而产生的电荷传递过程。

当一束能量等于或大于半导体带隙( Eg) 的光照射在半导体光电材料上时，电子(e-) 受激发由价带跃迁到导带，并在价带上留下空穴(h + )，电子与孔穴有效分离，便实现了光电转化[1]。

1.2 纳米光电材料的分类纳米光电材料按照不同的划分标准有不同的分类，目前主要有以下几种：1. 按用途分类：光电转换材料：根据光生伏特原理，将太阳能直接转换成电能的一种半导体光电材料。

目前，小面积多结GaAs太阳能电池的效率超过40 %[2]。

光电催化材料：在光催化下将吸收的光能直接转变为化学能的半导体光电材料，它使许多通常情况下难以实现或不可能实现的反应在比较温和的条件下能够顺利进行。

例如，水的分解反应，该反应的ΔrG m﹥﹥0在光电材料催化下，反应可以在常温常压下进行[3]。

2.按组成分类：有机光电材料：由有机化合物构成的半导体光电材料。

主要包括酞青及其衍生物、卟啉及其衍生物、聚苯胺、噬菌调理素等；无机光电材料：由无机化合物构成的半导体光电材料。

主要包括Si、TiO2、ZnS、LaFeO3、KCuPO4·6H2O、CuInSe2等；有机与无机光电配合物：由中心金属离子和有机配体形成的光电功能配合物。

主要有2，2-联吡啶合钌类配合物等[4]。

3.按形状分类纳米材料大致可分为纳米粉末、一维纳米材料、纳米膜等。

纳米粉：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中问物态的固体颗粒材料。

一维纳米材料：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。

分为纳米线和纳米管。

纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。

颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。

致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜[5]。

1.3 纳米光电材料的性能1. 量子尺寸效应：用于光电的半导体材料在尺度缩小到纳米尺度时会表现出与大尺寸材料不同的光学点穴性质。

这是因为当材料尺寸减小时会显现出量子化的效果。

由于半导体的载流子限制在一个小尺寸的势阱中，在此条件下，导带和价带能带过渡为分立的能级。

因而有效带隙增大，吸收光谱阈值向短波方向移动，这种效应就称为尺寸量子效应。

量子尺寸效应除了会造成光学性质发生变化还会引起电学性质的明显改变。

这是因为随着颗粒粒径的减少，有效带隙增大，光生电子具有更负的电位，相应地具有更强的还原性，而光生空穴因具有更正的氧化性。

2. 表面效应：表面效应是纳米光电子材料的另一个重要特性。

纳米粒子表面原子所占的比例增大。

当表面原子数增加到一定程度，粒子性能更多地由表面原子而不是由晶格上的原子决定。

由于表面原子数的增多会导致许多缺陷，从而决定了它有更高的活性。

由此可以看出纳米光电材料比普通光电材料有更高的光催化活性。

1.4 纳米光电材料的制备方法制备纳米材料的方法有很多，根据不同的纳米光电材料及其用途有不同的制备方法。

1.化学沉淀法：通过在原料溶液中添加适当的沉淀剂，让原料溶液中的阳离子形成相应的沉淀物(沉淀颗粒的大小和形状由反应条件来控制)，然后再经过滤、洗涤、干燥、热分解等工艺过程而获得纳米粉体的方法。

依其沉淀方式可分为：直接沉淀法和均匀沉淀法两种。

TiO2常用此方法来制备。

2.溶胶凝胶法：以无机盐或金属醇盐为前驱物，经水解缩聚过程逐渐凝胶化，然后作相应的后处理而得到所需的纳米粉体，溶液pH 值、溶液浓度、反应时间和温度是影响溶胶、凝胶质量的主要因素。

此方法也常用来制备TiO2。

3.微乳法：由水、油(有机溶剂)、表面活性剂及其助剂组成透明或半透明的，各相同性的热力学稳定体系。

其中水被表面活性剂及其助剂单层包裹形成“微水池”，通过控制“微水池”的尺寸来控制粉体的大小，制备纳米物质。

CdTe常用此法制备。

4.水热合成法：在密闭体系中，以水或其他有机物作为溶剂，在一定温度和水的自生压强下，原始混合物进行反应的一种合成方法。

由于反应在高温、高压、水热条件下，反应物质在水中的物性与化学反应性能发生了很大变化，而不同于一般制备方法。

如制备ZnO、ZnS etc。

5.激光诱导气相沉积法：它是利用反应气体分子(或光敏剂分子)对特定波长激光束的吸收，引起反应气体分子的激光分解、激光裂解、激光光敏化和激光诱导化学反应，获得超细粒子空间成核和生长。

如制备CdMnTe etc。

二、纳米光电材料的问题及其发展纳米光电材料要得到广泛的应用，必须具备良好的综合性能。

一个具有实际应用价值的半导体光电化学体系必须具有光照稳定性，高效和选择性，以及宽的光谱响应。

而实际的纳米光电材料不能完全满足所有的要求。

对其表面进行修饰非常必要，可以把光响应范围扩展至可见区,有效阻止电荷在转移过程的复合，从而提高对太阳能的利用并改善其催化活性。

常见的方法有：染料表面敏化、鬼金属表面沉积、半导体复合等等2.1 染料表面敏化目前研究非常的热门的染料敏化太阳能电池(DSSC)正是基于此。

TiO2只对紫外光敏感，而染料吸附后可以吸收可见光区的能量，从而极大地提高太阳光的用效率。

吸光后激发态的染料产生电子和空穴的分离，电子通过回路中时可以对外接负载供电。

其原理图[6]如下：图2 染料敏化太阳能电池原理图（1）染料吸光激发DYE + hλ→ DYE*（2）激发态的染料分子将电子注入二氧化钛的导带DYE* - e → DYE+（3）电子穿过二氧化钛进入外电路（4）染料和电解液间发生下面反应，从而染料还原DYE+ + I-→ DYE + I3-（5）从外电路流回的电子将还原e + I3-→ I-（6）e（导带中）＋DYE+ → DYE（7）e（导带中）+ I3-→ 3I-目前，染料敏化太阳能电池正处于热门研究过程中并不断取得新进展，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室[7]，材料科学与工程学院张荻教授创立及领导的“遗态材料”科研小组“启迪于碟翅的染料敏化太阳能电池的创新研究”在国际范围内率先提出，通过遗态工艺，以蝶翅鳞片为生物模板，成功获取了保留原始蝶翅结构的TiO2材料。

研究发现，相对于普通的TiO2薄膜，具有蝶翅结构TiO2的光吸收率可提高2倍以上，以此为光阳极，可以大大提高光采集效率，进而有望提高该类太阳能电池的光电转换效率。

另外，日本九州岛大学的山田淳教授，日前开发出可以提高染料敏化型太阳能电池发电效率的技术[8]。

新技术使用直径数纳米至数十纳米的金微粒子。

在取出电力的电极表面，积层配置金的微粒子；金的微粒子表面，则涂上使光转换成电的染料phthalocyanine，以增加受光的表面积，提高发电效率。

图3 新型染料敏化太阳能电池示意图2.2 贵金属表面沉积AgFLi图4 贵金属沉积示意图只要增加一层金属纳米粉末涂层，就能显著地改变硅薄膜型光电探测器的光吸收特性，通过精心选择纳米粉体涂层的材料和颗粒大小，可使光电响应的光谱范围由可见光和近红外区扩展到红外区。

三、纳米光电材料的应用3.1 纳米光电子技术应用概况纳米光电材料的一项重要应用是制备纳米电子器件。

目前，纳米光电子技术是一门新兴的技术，近年来越来越受到世界各国的重视，而随着该技术产生的纳米光电子器件更是成为了人们关注的焦点。

到目前为止开发出了各种各样的纳米光电子器件，在这里主要介绍各类激光器。

1.纳米导线激光器2001年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的研究人员在只及人的头发丝千分之一的纳米光导线上制造出世界最小的激光器一纳米激光器。

这种激光器不仅能发射紫外激光，经过调整后还能发射从蓝色到深紫外的激光。

研究人员使用一种称为取向附生的标准技术，用纯氧化锌晶体制造了这种激光器。

他们先是“培养”纳米导线，即在金层上形成直径为20nm-150nm，长度为10000nm的纯氧化锌导线。

然后，当研究人员在温室下用另一种激光将纳米导线中的纯氧化锌晶体激活时，纯氧化锌晶体会发射波长只有17那nm的激光。

这种纳米激光器最终有可能被用于鉴别化学物质，提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量。

2.紫外纳米激光器继微型激光器、微碟激光器、微环激光器、量子雪崩激光器问世后，美国加利福尼亚伯克利大学的化学家杨佩东及其同事制成了室温纳米激光器。

这种氧化锌纳米激光器在光激励下能发射线宽小于0.3nm、波跃为385nm的激光，被认为是世界上最小的激光器，也是采用纳米技术制造的首批实际器件之一。

在开发的初始阶段，研究人员就预言这种ZnO纳米激光器容易制作、亮度高、体积小、性能等同甚至优于GaN蓝光激光器。

由于能制作高密度纳米线阵列，所以，ZnO 纳米激光器可以进入许多今天的GaAs器件不可能涉及的应用领域。

为了生长这种激光器，ZnO纳米线要用催化外延晶体生长的气相输运法合成。

首先，在蓝宝石衬底上涂敷一层1 nm～3.5nm厚的金膜，然后把它放到一个氧化铝舟上，将材料和衬底在氨气流中加热到880℃～905℃，产生Zn蒸汽，再将Zn蒸汽输运到衬底上，在2min～10min的生长过程内生成截面积为六边形的2um～10um的纳米线。

研究人员发现，ZnO纳米线形成天然的激光腔，其直径为20nm～150nm，其大部分(95％)直径在70nm～100nm。

为了研究纳米线的受激发射，研究人员用Nd：YAG激光器(266nm波长，3ns脉宽)的四次谐波输出在温室下对样品进行光泵浦。

在发射光谱演变期间，光随泵浦功率的增大而激射，当激射超过ZnO 纳米线的阈值(约为40kW/cm) 时，发射光谱中会出现最高点，这些最高点的线宽小于0.3nm，比阈值以下自发射顶点的线宽小1/50以上。

这些窄的线宽及发射强度的迅速提高使研究人员得出结论：受激发射的确发生在这些纳米线中。

因此，这种纳米线阵列可以作为天然的谐振腔，进而成为理想的微型激光光源。

研究人员相信，这种短波长纳米激光器可应用在光计算、信息存储和纳米分析仪等领域中。

3.量子阱激光器2010年前后，蚀刻在半导体片上的线路宽度将达到100nm以下，在电路中移动的将只有少数几个电子，一个电子的增加和减少都会给电路的运行造成很大影响。

为了解决这一问题，量子阱激光器就诞生了。

在量子力学中，把能够对电子的运动产生约束并使其量子化的势场称之成为量子阱。

而利用这种量子约束在半导体激光器的有源层中形成量子能级，使能级之间的电子跃迁支配激光器的受激辐射，这就是量子阱激光器。

目前，量子阱激光器有两种类型：量子线激光器和量子点激光器。