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獲資助的研究項目簡介


題目:
半導體納米線是直徑約為億分之一米,相當於是頭髮直徑萬分之一的一種納米結構。由於其尺寸小,具有一些獨特的光學和電子性能,所以它們在未來納米科技的基礎研究和實際應用中將會扮演很重要的角色。比如,納米線具有高效傳輸一定能量電子的能力,其對發展太陽能電池有重要的意義。另外,富勒烯是一種碳籠分子,特別是C60,是已知對稱性最高的足球狀巴基球富勒烯,它也是已知的迄今為止在有機聚合物太陽能電池應用中最有效的電子受體。然而,富勒烯在有機聚合物太陽能電池應用中遇到的一個很大的困難是難以控制聚合物和富勒烯混合物的形貌。為了解決這個問題,我們提出研制一種無機納米線和富勒烯的混合結構,所以本課題的研究目標是製備出富勒烯分子包覆無機納米線的微納結構,並研究其光電性能。

研究方法:
第一步是利用各種自下而上的化學方法,包括直接溶液反應法,電化學反應法和原位界面反應法合成出無機納米線。然後利用富勒烯聚合法,化學功能化修飾法和配體結合法把富勒烯附著在納米線的表面。最後研究富勒烯–無機納米線的核殼納米結構的光電化學性質,並揭示其光誘導電荷分離,傳輸和收集的特徵。

研究發現:
本課題最重要的發現是我們利用Cu(I)輔助富勒烯聚合方法製備出新型Cu2O–C60核殼納米線。為了比較,我們也同時制備出Cu2O–C60核殼納米顆粒。製備的過程如下:首先,我們利用原位生長法製備出Cu2O納米線。然後, 利用Cu2O催化C60和異氰基乙酸乙酯反應形成聚合富勒烯吡咯啉,並無縫包覆在Cu2O納米材料表面上。這種Cu(I)輔助富勒烯聚合過程是一個新的有意義的發現。它豐富了C60的溶液化學法和表面化學。有趣的是,當我們利用Cu2O納米立方體作為核製備富勒烯核殼結構時,Cu2O納米粒子可以被酸化腐蝕除去,製備出單分散的C60納米盒子。

 

 

 

 

此外,我們也利用羧基作為連接使C60單分子膜均勻的包覆在有納米線分枝的四針狀ZnO納米材料表面,形成新的納米核殼結構材料。同時,我們利用C60–二硫代氨基甲酸配體取代CdSe納米晶體表面的TOPO配體,製備出富勒烯二硫代氨基甲酸配體包覆CdSe納米晶體的化學共軛結構。顯然,這種技術可以很容易地移植到CdSe納米線的表面富勒烯功能化上。

令人鼓舞的是,以上複合納米材料顯示增強的光誘導電荷分離、運輸和聚集的性質。例如,我們已經證明銅基Cu2O@C60陣列比Cu2O納米帶有更強的光電效率。同樣,(C60)8–CdSe共軛結構比CdSe–TOPO納米晶體和純C60有更強的光電效率,表明我們的共軛方法在太陽能電池的應用上具有可行性。

對相關領域或社會的影響:
本課題採用自下而上的方法製備出半導體納米結構和富勒烯的納米複合材料,其中前者是電子供體,後者是電子受體。同時,本課題發展的合成方法可以推廣到其它複合材料的合成。實驗證明,電子供體和受體在納米尺度上的結合可以提高電荷分離形成電能的效率,從而提高太陽能的利用率,這也是當前全球關注的焦點。本課題證明了基於納米尺度上電荷分離的材料設計理念,開啟了新一代高效率,低成本的納米結構太陽能電池的發展道路。現在,為了真正在電子器件上利用光誘導電荷分離,我們已經開始利用這個納米結構作為激子太陽能電池的光陽極。

楊世和教授
化學系
香港科技大學
chsyang@ust.hk

 

 

 

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