光功能导向的硅纳米结构高效、可控制备及其应用的基础研究

《光功能导向的硅纳米结构高效、可控制备及其应用的基础研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、项目名称：光功能导向的硅纳米结构高效、可控制备及其应用的基础研究首席科学家：张晓宏中国科学院理化技术研究所起止年限：2012.1至2016.8依托部门：中国科学院一、关键科学问题及研究内容2.1关键科学问题(1)面向光功能应用的硅纳米结构的低成本、宏量及可控制备方法与原理虽然硅纳米结构的控制合成在过去十几年取得了很大进展，但目前这方面的研究仍主要局限于方法和机制阶段，在成本、规模、可控性研究方面离实用化及应用需求还有很大距离。为实现硅纳米结构在光伏及荧光标记等领域的应用，必须发展能够以低成本、宏量进行硅纳米结构可控制备的方法。在前期研究

2、的基础上，我们将着重探索适合的技术工艺和方法，降低合成成本，扩大合成规模，提高合成可控性。拟采取的措施包括：采用低纯度硅或多晶硅、发展低成本纳米压印或自组装技术制备硅纳米线/孔阵列，并使用卷对卷（roll-to-roll）技术对阵列进行逐层剥离转移等，也将进一步完善和发展多酸辅助电化学阳极腐蚀制备硅量子点的方法，力争在硅纳米结构的制备方法与原理上有所突破与创新。(2)硅纳米结构形貌、尺寸、表面/界面结构及其演化等与其光物理性能关系硅纳米结构的光学/光电性质受到形貌、尺寸、组分等诸多因素的影响，因此，对这些影响因素展开系统研究，理解其作用

3、机制，发展适合的调控手段，最终实现控制硅纳米结构光学/光电性能的目的，对于硅纳米结构在光伏、荧光标记等领域的应用具有重要的意义。近期的研究还表明，表面/界面是影响纳米材料性能的关键因素之一，深入的研究有必要重点围绕表面/界面进行。通过理解表面/界面对硅纳米结构性质的影响规律，以此为指导进行相应的表面修饰、改性、功能化，有望在更大范围内、更有效地实现硅纳米结构光学/光电性能的调控。(3)高效、稳定光伏器件中硅纳米结构表面的光生电子与空穴的快速复合尽管我们目前已经成功制备了光电转换效率大于10%的硅纳米阵列结构光伏电池，这种结构具有更大的p

4、-n结界面，有利于电荷的快速分离和传输。但是，由于硅纳米结构具有大的比表面积，表面有很多悬空未饱和的化学键，形成很多的电荷缺陷状态，导致电荷在表面的复合速度较快，光电转换效率因此会大幅度降低。如何进行硅纳米结构表面钝化修饰来抑制这种性能衰减现象是硅纳米结构光伏电池研究中的关键问题。我们将集中研究硅纳米结构表面Si-C钝化、表面掺杂或核壳结构等技术，克服硅纳米结构表面光生载流子快速复合的问题。(1)硅纳米结构在复杂生物环境中对肿瘤标志物的高特异性、高灵敏度荧光标记检测在复杂的生物环境中，将硅纳米材料靶向标记到特定的肿瘤标志物，并对其进行实

5、时、长程跟踪和研究，是实现肿瘤微转移早期检测的关键所在。将通过对硅纳米结构表面进行特殊修饰，以改善其光/化学稳定性；研究硅纳米材料表面的特定功能团与不同生物分子作用机理，从而实现不同生物分子与硅纳米材料的定向偶联。随着对肿瘤本质认识的不断深入和筛选肿瘤标志物技术的不断进步，越来越多的肿瘤标志物被报道。胞匀浆液免疫动物得到抗血清筛选异常蛋白，发现了甲胎蛋白（AFP）、癌胚蛋白（CEA）和糖类抗原（CA）等目前广泛应用的诊断标志物。本项目将通过硅基荧光纳米结构与某一恶性肿瘤的肿瘤标志物对应抗体连接，利用抗原/抗体免疫反应的高度专一性，结合硅

6、纳米材料的近红外/上转换发光特性和优异光稳定性，实现硅基荧光探针对肿瘤标志物的高特异性、高灵敏度、实时长程靶向标记，进而对肿瘤微转移的进行早期检测。2.2研究内容(1)光功能导向的硅纳米结构的高效、可控制备零维硅纳米材料的制备：继续完善和发展现有的多酸辅助电化学阳极腐蚀方法，重点提高合成效率与可控性，通过调控、优化实验参数，精确控制硅量子点的生长尺寸和粒径分布（主要在1-4nm之间），并对硅量子点的尺寸特征与表面结构进行深入分析，指导实验合成；通过对硅量子点进行表面改性与化学、物理和生物修饰，实现具有高荧光发光效率、良好稳定性、水溶性及

7、生物相容性的硅量子点的宏量制备；在目前小规模制备的基础上，尝试扩大反应系统，增加量子点产率，并通过使用低纯度硅、多晶硅替代高纯单晶硅等方式，降低成本，以实现高效、低成本硅量子点的制备；同时，发展甲烷热分解、激光气化等其它合成手段，通过对不同的合成手段进行分析比较，探索最有效的硅量子点合成工艺。一维硅纳米阵列结构的制备：硅纳米线阵列与硅纳米多孔结构是两种互补的一维硅纳米阵列结构，同样适用于高效硅纳米光伏器件应用，因此本项目将以这两种阵列结构为主要研究对象，展开大面积、有序硅纳米阵列的制备研究。主要包括：采用化学气相沉积或物理、化学刻蚀等方

8、法制备硅纳米阵列结构，通过优化实验参数，改进技术工艺，提高合成可控性；通过使用ITO、金属等廉价生长衬底，以及降低硅纯度，使用多晶硅、非晶硅作为刻蚀硅衬底等方式，降低合成成本；结合表面纳米压印或大面积自组装