介晶半导体材料的合成及应用研究进展

传统半导体纳米材料大部分为多晶结构或单晶结构。而介晶是一类由初级纳米颗粒以结晶学有序的方式自组装而成的纳米粒子超结构,具有类似单晶的原子结构和散射特征,既保留着初级纳米颗粒的晶界,又表现出强烈的各向异性,从而具有与多晶和单晶均不同的独特结构与性能。例如,介晶结构中的初级纳米颗粒以一定的方式相互连接,与无序堆积的多晶相比,具有极高的结晶性,甚至接近单晶,能够有效减小载流子在材料内部的复合概率;初级纳米颗粒之间的晶界并未完全消失,存在一定的空隙,具有较高的空隙率和比表面积以提供更多的活性位点;初级纳米颗粒在定向吸附过程中有序地取向排列,暴露出高能晶面,显著提高了其反应活性。金属氧化物半导体材料在光催化、电化学和气敏等领域应用广泛,其反应机理均是发生在材料表面的气-液、气-气、气-固反应,因而均需要材料具有大的比表面积和较高的表面活性。而介晶结构是以纳米颗粒作为基本构筑单元的非经典结晶产物,具有比表面积大、孔隙率高、表面活性高等优点,有望获得远超过传统材料的优异性能,因此近年来介晶结构金属氧化物半导体的制备成为了研究热点。研究者们基于物理或者化学驱动的纳米架构自组装过程,通过改进传统制备工艺,如水热法、溶剂热法、离子热法等,成功调控纳米材料成核、生长的方式,制备出具有介晶结构的TiO_2、ZnO、CuO、SnO_2等半导体材料,并且通过优化制备工艺,可以调节材料的比表面积、孔隙率和表面活性。进一步分析介晶结构与性能的构效关系,对推广介晶结构材料的应用具有重大的指导意义。但是目前介晶的研究还处于起步阶段,各种组分、形貌和结构的介晶的合成、结晶理论的基础研究以及材料的应用开发都还有待进一步探索。本文归纳了介晶半导体材料的研究进展,包括制备方法及不同制备方法所获得材料的特征及优缺点;介绍了半导体介晶材料在光催化性能、电化学性能和气敏性能等领域的应用现状,总结了介晶结构与性能的构效关系,对介晶结构的发展方向进行了展望并指出了其面临的问题。