文獻解讀 – 楊培東 Nature Nanotechnology：單根硅納米線光電化學

背景前言

光電化學是實現太陽能高效轉化為有機燃料的重要方法之一。最近的一些研究結果表明，用半導體納米/微米線陣列制備的光電極相對于平面異質結制備的光電極具有更好的光電性能。這是因為其具有獨一無二的光電性質，例如：納米/微米線具有更高的比表面積。

雖然研究人員對線陣列進行了大量的研究，但是，陣列中的形貌均勻性，摻雜，缺陷以及催化劑負載等因素所起的作用和相互聯系并不清晰。陣列整體的平均性能并不代表單根線的光電性能。

有鑒于此，楊培東教授課題組在2016年3月28號一期的Nature Nanotechnology上報道了一種基于單根硅納米線的光電極平臺，能夠可靠地檢測單根硅納米線的I-V特性。

研究人員發現，單根納米線的性能好壞，將影響整個陣列的光電壓輸出性能，因此，提高陣列中單根納米線的均勻性非常重要。另外，他們還發現，光生電子的通量是單根納米線的長度和直徑的函數。單根納米線上的通量(7-30電子/nm²/s)比平面結構上的通量（1200/nm²/s）大大減少。

在半導體/電解液界面，光生載流子的這些通量特性對于設計和負載催化劑活性相匹配的納米線光電極具有十分重要的意義。

圖1：單根硅納米線光電極用于PEC(光電化學)測試的示意圖

測試模型

在光照下，單根硅納米線內產生電子-空穴對，隨后因能帶彎曲，電子和空穴在納米線/電解質界面處分離。電子遷移到鉑催化位點，參與質子還原反應。

圖2：單根硅納米線光電極SEM表征

形貌概述

基底是絕緣硅片，上層是九個電隔離的氧化物鈍化電極，其下面是氧化物層。單硅納米線利用VLS機制控制垂直生長，孤立的硅電極的比例是：10μm。

圖3：單根硅納米線光電極的制備過程

生長過程

如圖所示，先高溫氧化得到硅納米線，再盡量降低缺陷的情況下進行精細控制摻雜。兩種摻雜（p型硅和n⁺ p型硅）的裝置被制成用于比較。

圖4：單根硅納米線光電極的檢測方法

PEC測量方法

用一個兩電極裝置表征單個納米線的I-V特性。硅納米線作為工作電極，鉑絲用作反電極/參考電極。PEC過程發生在由聚二甲基硅氧烷（PDMS）腔室限定的反應容器中。探針通過外部焊盤使每個納米線通電，并從上方照射光。

圖5：單根硅納米線期間的PEC性能之一

圖6：單根硅納米線期間的PEC性能之二

圖7：單根硅納米線期間的PEC性能之三

圖5.6.7，通過光照之后，在短時間內，在相同的外電壓下電流上升更快，相對黑暗條件下，說明硅納米線的光響應性能好，并且此電極的穩定較好。

圖8：光生電子通量分析之一

?1 mA cm^–2 = 62 electrons nm^–2 s^–1

圖9：光生電子通量分析之二

L代表硅納米線的長度，D代表硅納米線的直徑。光生電子通量隨L增加而降低，隨D增加而升高。

圖10：光生電子通量分析之三

隨著納米線的粗糙度增加，光生電子通量是降低的。

光生電子通量測試

分別測試分析了光生通量與電位，納米線長度和直徑以及粗糙度的關系，進一步突出體現了納米線結構相比于平面結構的優勢。

一句話總結：

這種單納米線光電極的模型體系，可進行更進一步的研究和設計，例如:可以引入不同形貌的納米結構為負載不同的電催化劑提供合理的結構。為下一代的納米線光電極太陽能-燃料轉換裝置提供理論和技術的支持。

該成果發表在Nature Nanotechnology? 上，鏈接 http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.30.html

該文獻解讀由材料人新能源學習小組袁理供稿，參與新能源話題討論請加入“材料人新能源材料交流 群422065952”，若想參與新能源文獻解讀和文獻匯總、新能源知識科普和深度挖掘新能源學術產業信息請加“新能源學習小組 461419294”

歡迎各大課題組到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com