納米材料：在半導體納米晶體的路徑上隱藏無間隙狀態！其它頭條網

異乎尋常的轉變導致氧化鋅的一種前體，最初是絕緣體，大約是。300攝氏度進入具有典型金屬電特性的狀態，在約400攝氏度時變成半導體。圖片來源：IPC PAS。

當華沙波蘭科學院物理化學研究所的化學家開始研究一種專為高效生產納米晶氧化鋅而設計的新材料時，他們沒有發現任何意外。因此，當變化材料的電氣特性變得非常奇特時，它們非常驚訝。

單源前體（SSP）方法被廣泛認為是製備半導體納米晶體材料的有前景的策略。然而，SSP的合理設計及其對具有高度可控物理化學性質的所需納米材料的受控轉化的一個障礙是在轉化過程中缺乏機械洞察力。波蘭科學院物理化學研究所（IPC PAS）和華沙理工大學化學系（WUT）的科學家現在報告說，在預先組織的鋅的熱分解過程中烷氧化物前體，半導體氧化鋅（ZnO）相的成核和生長之前是級聯轉化，其涉及形成先前未報道的具有無間隙電子態的中間基團鋅氧代醇鹽簇。到目前為止，這些類型的簇還沒有被認為是在半導體ZnO相的路徑上的中間結構或者是作為ZnO納米晶體的各種缺陷狀態的潛在物質。

“我們發現，經過數十年研究的ZnO前體中的一種，鋅醇鹽化合物，在熱分解時經歷了先前未觀察到的物理化學轉化。最初，起始化合物是絕緣體。當加熱時，它迅速轉變成具有的物質。類似導體的特性，以及溫度的進一步升高同樣迅速地導致其轉變為半導體，“KamilSokołowski博士（IPC PAS）說。

以受控方式設計和製備明確定義的納米材料仍然是一項巨大的挑戰，並且被公認為是利用許多納米尺度現象的最大障礙。Lewiński教授（IPC PAS，PW）多年來一直致力於開發生產納米晶形氧化鋅的有效方法，氧化鋅是一種在電子，工業催化，光伏和光催化領域具有廣泛應用的半導體。其中一種方法是基於單一來源的前體。前體分子在其結構中包含靶材料的所有組分，並且僅需要溫度來觸發化學轉化。

“我們處理了一組具有通式RZnOR的化合物，作為單源預先設計的ZnO前體。它們結構的一個共同特徵是立方[Zn 4 O 4 ]核的存在，交替的鋅和氧原子被終止有機基團R.當前體被加熱時，有機部分被降解，無機核自組裝，形成納米材料的最終形式，“Sokołowski博士解釋說。

測試的前體具有絕緣體的性質，能隙約為5電子伏。當加熱時，它最終轉變成具有約3eV能隙的半導體。

“我們研究的一個特殊結果是發現在接近300攝氏度的溫度下，化合物突然轉變成幾乎無間隙的電子狀態，顯示出更典型的金屬電性能。當溫度上升到大約400度時，能量差距突然擴大到半導體材料的寬度特徵。最終，由於先進的同步加速器實驗與量子化學計算相結合，我們已經建立了這些獨特轉換的所有細節，“Adam Pubas博士（IPC PAS）說。進行了量子化學計算。

使用由Jakub Szlachetko博士（克拉科夫核物理研究所）和Jacinto Sa博士（IPC PAS和烏普薩拉大學）在Villigen的Paul Scherrer研究所的Swiss Light Source同步加速器設備開發的方法進行光譜測量，瑞士。在反應室中加熱該材料，並使用X射線同步加速器束對其電子結構進行取樣。該設置允許實時監控轉換。

通過計算機模擬支持的這種鋅醇鹽前體分解過程的詳細原位研究表明，半導體ZnO相的任何成核或生長都先進行級聯轉化，包括形成先前未報道的中間基團鋅氧代醇鹽簇。無間隙的電子狀態。

“在這個過程中，R-Zn鍵的均裂裂解是最初熱分解過程的原因。計算機模擬顯示中間自由基團簇傾向於通過不常見的雙金屬Zn-Zn鍵形成二聚體。下面的均裂OR鍵裂解然後導致亞納米ZnO團簇進一步自組織成ZnO納米晶相，“庫巴斯博士說。

到目前為止，所形成的自由基鋅氧簇不是在通往半導體ZnO相的途中作為中間結構，或者是作為ZnO納米晶的各種缺陷狀態的潛在物種。在更廣泛的背景下，對缺陷的起源和特徵的更深入理解對於半導體材料中的結構 - 性質關係是至關重要的。

該研究由國家科學中心資助，由歐盟共同資助的波蘭科學基金會的TEAM資助，將有助於開發更精確的控制納米晶氧化鋅性能的方法。到目前為止，隨著或多或少的成功，這些屬性已經在各種類型的材料缺陷的幫助下得到了解釋。然而，由於顯而易見的原因，這些分析沒有考慮到形成華沙科學家在材料中發現的特定自由基鋅 - 氧簇的可能性。