一维有机体异质结纳米材料的研究

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：图5.2异质多孔金属材料图5.3金属镁与聚合物组成复合异质结材料应用于储氢燃料电池等领域目前，研究表明，已经有很多研究使用模板方法来构建包括线型和具有分支结构在内的一维导电聚合物纳米材料。碳材料富勒烯衍生物与有机分子复合后得到的杂化纳米材料可能在光学、电学和光电器件方面表现出更好的性质。

过去的20多年，高度共轭的有机高分子材料由于其独特的电学、光学和结构特征已经成为新一代的电子和光电子器件的理想候选材料。科研人员在这些领域中的研究主要集中在寻找分子的新结构和性质，尤其是改变分子结构和尺寸方面的问题，目的是得到高性能的有机共轭高分子材料，而最近一段时间，更多的科研人员专注于有机共聚物纳米结构自组装方面的研究，如图5.1所示。其中，D1和D2分别为锗纳米柱的上下两部分柱体的直径。这种化学新概念的快速发展促进了有机纳米结构自组装的进一步发展。

图5.1　新型锗纳米柱阵列（能够吸收99%的光子，可大幅度提高太阳能电池效率）

（a）锗纳米柱阵列嵌入铝箔膜；（b）锗纳米柱阵列的横剖面 SEM图像（呈现的是铝膜，上面带有双直径小孔，插图显示的是锗纳米柱生长后的状态）

基于一维导电聚合物纳米结构和材料的研究已经取得了巨大成就，包括纳米线和纳米管在电子器件、光电器件、场发射、化学传感器和太阳能电池等方面的应用。纳米结构中细微结构的形态是决定纳米器件性能的关键性因素。

从目前阶段看，提高某些纳米器件性能的关键是设计和合成（或制备）垂直排列的纳米线阵列。由于其垂直排列的结构可以作为载流子上下方便传输的渠道，因此预计可以得到具有某些性能更优越的纳米器件。在纳米材料自下而上（Bottom-Up）的合成方法中使用模板导向法合成一维导电聚合物纳米结构是目前应用最为广泛的方法。模板可以有效而精确地控制纳米结构多方面的尺度，但也可能属于通过一些简单的沉积方法得到大量分子聚集态结构纳米材料的最常用方法之一。

图5.2　异质多孔金属材料

图5.3　金属镁与聚合物组成复合异质结材料应用于储氢燃料电池等领域

目前，研究表明，已经有很多研究使用模板方法来构建包括线型和具有分支结构在内的一维导电聚合物纳米材料。至今，也有很多关于控制合成异质结纳米复合材料的报道，包括金属-金属结（图5.2，异质多孔金属材料）、金属-聚合物结（图5.3，金属镁和聚合物组成复合异质结材料应用于储氢燃料电池等领域）、无机-导电高分子结和有机-无机P-N结等。事实上，杂化复合材料的性质与组成其成分的材料在物理与化学性质方面有很大的不同。所有材料中富勒烯分子是最引人注目的，由于其出色的性能，预计它在最近几年中将广泛应用于纳米材料的研究中，然而，均匀地使富勒烯材料与有机分子相结合产生在纳米尺度下大小和形状统一的和具有特殊应用价值的一维体异质结纳米材料仍然是目前研究的一个热点方向。碳材料富勒烯衍生物与有机分子复合后得到的杂化纳米材料可能在光学、电学和光电器件方面表现出更好的性质。这是由于体P-N异质结的存在使得P型有机共轭高分子和N型富勒烯材料两种组分的接触面积增加，从而有效地避免了光生激子的复合，同时体P-N异质结互穿网络结构的形成有利于高效率的电荷转移。

一维有机体异质结纳米材料的研究

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