张发远-半导体异质结的能带调控研究.docVIP

第六届大学生研究性学习和创新性实验计划项目 申 报 表 项目名称 半导体异质结的能带调控研究 项目类别 创新训练项目√□ 创业训练项目□ 项目主持人 张发远 学生所在学院 材料与光电物理学院 专业班级 2011级物理学二班 指导老师 曹觉先 填表日期 2013年3月16号 湘 潭 大 学 教 务 处 制  项目名称: 半导体异质结的能带调控研究 学生姓名 专业名称 性别 学 号 张发远 物理学 男 2011701211 张轼 物理学 男 2011701222 刘云峰 物理学 男 2011701214 张伟伟 物理学 男 2011701219 指导教师 曹觉先 职称 教授 学科专业 物理学 学生曾经参与科研或创业的情况 此为首次参与 指导教师承担科研课题情况 曹觉先教授多年来致力于纳米结构材料、半导体超晶格材料、稀磁半导体、磁致伸缩材料等磁性材料的物性研究。曾发展了sp3s*轨道杂化理论、转移矩阵方法、晶格动力学理论以及第一性原理等方法研究了碳纳米管、Si 纳米线等的结构与物理性能，获得了与实验很好相符的结论。发展了计算磁晶各向异性的扭矩法、能带刚性模型，并在FLAPW，VASP程序中增加了相关功能，大大加快计算速度，提高了计算精度，为磁性材料设计提供了方便。目前， 在Science， Acs Nano, Phys. Rev. Lett., Phys.Rev. B, Appl. Phys. Lett.等国内外杂志发表论文50 余篇，其中全部为SCI收录，其中包含Science 1篇，Phy. Rev. Lett. 1篇，Acs Nano 1篇，Phys. Rev. B 14 篇和Appl. Phys. Lett. 3篇。学术论文被国内外同行引用500多次。先后获得湖南省科技进步奖二等奖、三等奖各一次。目前主要承担下列项目研究： 国家自然科学基金：基于过渡金属超高密度磁性存储单元的理论设计与性能模拟（编号，主持，2011-2013年 湖南省科技厅：新型超高密度磁性存储结构单元的理论设计（编号：10B104），主持，2011-2013年 国家自然科学基金（重点）：铁电薄膜及其存储器中界面与应变效应的研究（编号，骨干参与，2011-2014年 项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题 项目的立论依据: 氢能源是一种高效清洁的新型能源，倍受研究者的关注。然而，阻碍氢能源工业化的主要瓶颈是如何高效率的制备氢气[1-3]。当前氢能源的制备主要有三种途径：(i)石化能源重整；(ii)生化制氢；(iii)利用太阳能制备氢气[4]。第一种方式是当前工业制备氢气的主要途径，显然该种途径主要依赖煤、石油、天然气等化石能源的重整来获取。该种途径完全依赖现有非可再生资源的消耗，另一方面容易造成环境污染，而且容易导致催化剂中毒，不易于氢能源的持续可再生产。而利用太阳能制备氢气，其原料仅仅需要水，而氢能源的主要产物也只有水，这不仅不会产生任何环境污染，而且可保证持续生产。因而是一种非常理想的绿色生产与消耗途径。近年来，各国竞相发展光催化制备氢能源的关键技术与工业[6,7]。然而这一技术对太阳光的利用效率较低，其主要原因是光催化过程中使用的半导体如TiO2、ZnO、GaN均为宽带隙半导体(3.0eV)，因而只能集中利用紫外波段（约占4%）的太阳光[8-10]。如何降低传统半导体的带隙，充分利用太阳能成为了光催化制备氢气的关键科学问题。当前，许多研究学者提出掺入各种杂质元素，在宽带隙半导体中引入中间能级，从而试图增强光吸收而提高太阳能的利用。例如在TiO2中掺入杂质离子以降低其禁带宽度。实验表明，在掺杂浓度较低的情况下，确实可以提高光催化效率[11]。但高浓度下，其光催化效率将大大降低，其主要原因是杂质的引入同时会增加电子与空穴的复合中心，从而大大降低了金属掺杂的TiO2 的光催化效率[12-13]。另一方面，掺杂合成方法比较单一，一般是溶胶——凝胶，合成工艺比较复杂，很难实现大规模生产。此外，掺杂后TiO2的应用方面还处在理论探索阶段，离实际应用还有很远的距离。事实上，光催化分解水主要取决于两部分因素。其一为光吸收导致电子-空穴对的产生；其二为电子-空穴对的有效分离。要充分吸收太阳光产生电子-空穴对，这要求光催化的半导体的带隙在1.8—3.0eV。考虑到电子-空穴有效分离因素，我们将设计表面多重结构和半导体超晶格光催化半导体材料，为光催化制备氢气提供理论指导。 近年来，研究学者开展了对半导体超晶格或半导体异质结的研究，研究表明半导体异质结使吸收波长大大红移，光催化活性提高，这可归因于不同能级半导体间光生载流子易于分离[14]。此外，半导体