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ChemNanoMat:成核温度依赖的CuInSe2同质异相结构纳米晶的可控合成2022-07-20
在半导体纳米晶中,形貌、尺寸、化学组成和晶体结构对其能带结构等物理化学性质具有决定性的作用。晶体结构代表材料原子排布的周期性,对半导体材料的能带结构和光学性能具有重要影响。同质异相结构纳米晶集合最少两种的晶体结构在同一个纳米颗粒中,不同晶体结构的电子结构差异可使其表现出不同于单一相纳米颗粒性能。

CuInSe2(CISe)纳米晶具有低毒性、较高的光吸收系数和较宽的光谱吸收范围等优势在太阳能电池、光电催化、光电探测器等光电器件领域展现出巨大的应用潜力。然而,同质异相结构CISe纳米晶的精准合成仍然存在挑战。

北京科技大学田建军教授与香港城市大学Andrey Rogach教授团队在ChemNanoMat上报道了一种同质异相结构CISe纳米晶的合成方法,通过形核温度调控同质异相纳米晶的形貌和尺寸,得到四足状结构、核壳结构和中空结构的CISe纳米晶。

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图1 同质异相结构CISe纳米晶的尺寸和形貌随形核温度变化示意图

研究表明,同质异相结构CISe纳米晶均由黄铜矿相(CP)核和纤锌矿相(WZ)臂/壳组成,其形貌、尺寸及相组成受成核温度的影响,如图1所示。在较低的成核温度时,形成CISe纳米片和六边形/方形纳米晶;提高成核温度至230℃时,形成具有CP-CISe核和WZ-CISe臂的四足状CISe纳米晶,随温度的升高CP核的尺寸明显增加而WZ臂的长度明显减小(250℃);当成核温度升高至280 ℃时,其WZ臂进一步变短至几纳米而形成CP/WZ同质异相的CISe核壳纳米晶;当成核温度达到300 ℃时,Cu前驱体首先被还原成Cu纳米颗粒,In和Se前驱物在Cu纳米颗粒表面吸附开始反应形成CISe。基于Kirkendall效应,反应过程中不同前驱物离子迁移速率不同,最终形成中空CISe纳米晶。

一般来说,CP相是CISe的热力学稳定相,WZ相是亚稳态相,成核温度升高有利于CP相CISe的形成,且CP相CISe纳米晶的尺寸随温度升高逐渐变大,因此,同质异相结构CISe纳米晶中CP相的比例增大。同时较高的反应温度提供了克服势垒的能量,剩余的前驱物在CP相CISe核表面形成亚稳态的WZ-CISe。该工作提供了一种制备同质异相结构纳米晶的新方法,对研究相结构对半导体纳米晶的物理化学性能具有重要意义。

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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