文献解读 – 杨培东 Nature Nanotechnology：单根硅纳米线光电化学

背景前言

光电化学是实现太阳能高效转化为有机燃料的重要方法之一。最近的一些研究结果表明，用半导体纳米/微米线阵列制备的光电极相对于平面异质结制备的光电极具有更好的光电性能。这是因为其具有独一无二的光电性质，例如：纳米/微米线具有更高的比表面积。

虽然研究人员对线阵列进行了大量的研究，但是，阵列中的形貌均匀性，掺杂，缺陷以及催化剂负载等因素所起的作用和相互联系并不清晰。阵列整体的平均性能并不代表单根线的光电性能。

有鉴于此，杨培东教授课题组在2016年3月28号一期的Nature Nanotechnology上报道了一种基于单根硅纳米线的光电极平台，能够可靠地检测单根硅纳米线的I-V特性。

研究人员发现，单根纳米线的性能好坏，将影响整个阵列的光电压输出性能，因此，提高阵列中单根纳米线的均匀性非常重要。另外，他们还发现，光生电子的通量是单根纳米线的长度和直径的函数。单根纳米线上的通量(7-30电子/nm²/s)比平面结构上的通量（1200/nm²/s）大大减少。

在半导体/电解液界面，光生载流子的这些通量特性对于设计和负载催化剂活性相匹配的纳米线光电极具有十分重要的意义。

图1：单根硅纳米线光电极用于PEC(光电化学)测试的示意图

测试模型

在光照下，单根硅纳米线内产生电子-空穴对，随后因能带弯曲，电子和空穴在纳米线/电解质界面处分离。电子迁移到铂催化位点，参与质子还原反应。

图2：单根硅纳米线光电极SEM表征

形貌概述

基底是绝缘硅片，上层是九个电隔离的氧化物钝化电极，其下面是氧化物层。单硅纳米线利用VLS机制控制垂直生长，孤立的硅电极的比例是：10µm。

图3：单根硅纳米线光电极的制备过程

生长过程

如图所示，先高温氧化得到硅纳米线，再尽量降低缺陷的情况下进行精细控制掺杂。两种掺杂（p型硅和n⁺ p型硅）的装置被制成用于比较。

图4：单根硅纳米线光电极的检测方法

PEC测量方法

用一个两电极装置表征单个纳米线的I-V特性。硅纳米线作为工作电极，铂丝用作反电极/参考电极。PEC过程发生在由聚二甲基硅氧烷（PDMS）腔室限定的反应容器中。探针通过外部焊盘使每个纳米线通电，并从上方照射光。

图5：单根硅纳米线期间的PEC性能之一

图6：单根硅纳米线期间的PEC性能之二

图7：单根硅纳米线期间的PEC性能之三

图5.6.7，通过光照之后，在短时间内，在相同的外电压下电流上升更快，相对黑暗条件下，说明硅纳米线的光响应性能好，并且此电极的稳定较好。

图8：光生电子通量分析之一

−1 mA cm^–2 = 62 electrons nm^–2 s^–1

图9：光生电子通量分析之二

L代表硅纳米线的长度，D代表硅纳米线的直径。光生电子通量随L增加而降低，随D增加而升高。

图10：光生电子通量分析之三

随着纳米线的粗糙度增加，光生电子通量是降低的。

光生电子通量测试

分别测试分析了光生通量与电位，纳米线长度和直径以及粗糙度的关系，进一步突出体现了纳米线结构相比于平面结构的优势。

一句话总结：

这种单纳米线光电极的模型体系，可进行更进一步的研究和设计，例如:可以引入不同形貌的纳米结构为负载不同的电催化剂提供合理的结构。为下一代的纳米线光电极太阳能-燃料转换装置提供理论和技术的支持。

该成果发表在Nature Nanotechnology  上，链接 http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2016.30.html

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