Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶在光电器件方面的应用研究进展

王旭

（上海先着点光电科技有限公司，上海 215004）

0 引言

受Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶自身特点影响，研究人员对其关注度不断提高，在光电器件制作方面的应用频率愈来愈高。之所以半导体材料能在光电世界中的应用频率不断提高，主要是因为半导体晶格可以融入多种元素，从而可以加快载流子迁移速度。以Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶为例，调整纳米晶尺寸可以改变Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶发光性质，改变Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶自身粒径可以改变发光颜色等等。正因如此，研究人员对此项研究工作的关注度在不断提高。本文针对Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶在光电器件中的应用进行了详细论述，以期推动光电器件行业发展。

1 纳米材料

1.1 纳米材料简介

纳米材料是21世纪的高科技材料之一，自身具有特殊性质，其本质为以纳米结构为原材料制作的其他材料。纳米材料尺寸在体相材料与单分子材料之间，因此无法应用传统研究方法展开研究，而应以传统研究方法为基础开展创新研究。在近二十年中，纳米科学发展速度不断增加，并且在物理、化学、生物等多个领域的出现频率也不断提高，即伴随着纳米科学研究工作的不断发展，一定会对其他领域产生影响，推动其发展，在此过程中，必然会出现新学科，比如纳米化学、纳米生物、纳米电子等。

从狭义角度进行分析，纳米材料本质上是由纳米颗粒组成的固体材料；从广义角度进行分析，纳米材料是指在微观结构中，在各个维度中，至少有一个维度尺寸符合纳米尺寸范围。

1.2 纳米材料表征方法

纳米材料可以通过尺寸、形貌、结构等特征进行表征，具体如下。

（1）尺寸表征：尺寸表征属于纳米材料的基本表征之一，是研究人员分析材料是否为纳米材料的基础。具体表征参数包括零维纳米颗粒的粒径，一维纳米纤维线管的直径、长度和长径比等等[1]。

（2）形貌表征：纳米材料形貌表征也是纳米材料表征的基本组成之一，包括颗粒、纤维、线等多种形式。

（3）成分表征：纳米材料成分表征本质是指分析材料元素组成及具体价态，分析其内部存在哪些杂质。

1.3 纳米材料分类

在具体研究工作中，研究人员可以选择的纳米材料划分标准有很多，现阶段，研究人员常用标准有两类。第一类为参考价纳米材料形貌与维数进行划分，第二类为参考纳米材料具体组成成分进行划分。通常情况下，根据第一类划分标准可以将纳米材料分为零维原子团簇、一维纳米纤维线管、二维纳米薄膜片以及三维纳米块体四大类；根据第二类划分标准可以将纳米材料分为金属及合金纳米材料、无机非金属材料、有机纳米材料、半导体纳米材料和氧化物纳米材料五大类。

2 半导体纳米材料概述

2.1 半导体纳米材料简介

现阶段，研究人员在针对纳米材料进行研究时，主要研究内容有两项，第一项，以体相材料对比为切入点，对纳米材料结构与性能展开详细分析，掌握纳米材料特性变化规律，结合相关研究结果优化纳米材料概念及理论研究体系；第二项，针对其扩展材料进行研究，主要研究内容为新型纳米材料[2]。

半导体纳米材料是指材料尺寸处于纳米范围内的超微半导体材料，具体大小处于粒子与原子簇之间。半导体纳米材料主要由两部分组成，以直径长度为具体划分标准。半导体纳米材料自身具有独特的物理特点与化学特点，受到了国内外众多研究学者的关注，现阶段，如何应用半导体纳米材料成了材料科学领域的重点研究内容。而纳米科技发展速度的不断提高，使相关研究工作也获得了一定成绩，其中部分研究人员的研究重点为以量子点、量子线等组成为主的纳米结构，经过他们的不懈努力，在此方面也获得了非常大的进步。

2.2 半导体纳米材料特性

2.2.1 光学特性

半导体纳米材料光学特性本质为当半导体纳米材料尺寸与电子的德布罗意波长、激子的玻尔半径和超导态的相干波长相接近时，小粒子会出现量子尺寸效应[3]。而且半导体纳米材料拥有较大比表面积，导致其表面与内部原子电子会表现出较大区别，上述情况都会对半导体纳米材料光学性能造成影响，甚至会导致半导体纳米材料形成其他材料不存在的光学性能。其中常见新光学性能如下。

（1）蓝移现象：即吸收谱向短波方向移动。可以被半导体纳米材料吸收的光谱出现蓝移现象的原因有两点：第一点，量子尺寸效应，即半导体纳米材料带隙值与自身尺寸二者存在反比关系，即尺寸不断增加，带隙值不断降低，导致所吸收光谱出现蓝移情况；第二点，发生表面效应，纳米材料尺寸非常小，因此其表面具有较大张力，在实际工作中，纳米材料自身晶格会出现变化，晶格常数与键长之间呈现为反比关系，使得键自身振动频率增加，造成蓝移现象[4]。

（2）宽频带强吸收：半导体纳米材料比表面积较大，其平均配位数比较低，会增加不饱和键数量增加，导致键震动膜之间的缝隙增加。这种情况会导致材料对光的吸收频率范围扩大，导致半导体纳米材料吸收带扩宽。

2.2.2 光电转换特性

半导体纳米材料自身具备多个量子点，而每个量子点都会受到多个维度影响，再加上自身具有量子尺寸效应、表面效应 其中最具代表性的应用就是量子点太阳能电池，造成此类物质光电转换效率明显提高原因如下。

（1）量子尺寸效应：量子尺寸效应是量子点的根本特性，通过调节量子点自身大小，可以改变量子点加息，改变光吸收波长范围。在制作薄膜时，技术人员会选择不同尺寸量子点，因此可以吸收更多太阳光，使太阳光利用率得到了有效提升[5]。

（2）量子点的多激子效应：量子点吸收某个高能量光子发射处的电子，促使短波长太阳光可以产生更多电子，降低能量损失概率，提高光电转换率。

2.2.3 电学特性

电学特性作为半导体的基本特点之一，其本身具有极强的可塑性，但是受限于半导体纳米材料介电压性质，导致其自身电学特性与普通半导体之间存在较大差异，具体特点如下。

（2）介电特性：半导体纳米材料介电常数与测试频率二者呈现为反比关系，即测试频率降低，介电常数将增高，而且低频范围内的半导体纳米材料介电常数上升趋势明显高于体相半导体材料。

2.3 半导体纳米材料制备

2.3.1 物理制备法

以往研究人员在使用物理方法制作半导体纳米材料时，首先要做的就是根据具体情况选择不同方法完成大物质粉碎处理，比如超声波粉碎法、冲击波粉碎法、低温粉碎法、蒸气快速油面法、蒸气快速冷却法、分子束外延法等。近几年，伴随着相关科技的不断发展，出现了许多新方法，比如将聚苯乙烯微球旋涂在基片中，这样在不同转速下可以获得不同空隙度，然后再使用物理气相沉积法获得银膜，随后再使用热处理获得银纳米颗粒矩阵。

2.3.2 化学制备法

固相法：常用固相法包括两类，第一种为物理粉碎法，即使用相关设备开展粉碎工作，以此来获得纳米粒子，相对于其他方法而言，此方法具有操作难度小、成本低等优点，但是缺点也非常明显，那就是无法获得高精度产品，颗粒尺寸分布不均；第二种为热分解法，即对金属化合物进行加热，然后获得超微粒子粉末，此做法的缺点为生成物容易发生固结现象，需要对其进行二次分解处理，所需成本较高。

气相法：与固相法所不同的是，此方法可以获得高纯度纳米粒子，且纳米粒子尺寸非常均匀，除此之外，还可以控制气氛，获得其他非氧化物纳米粒子，比如金属碳化物或硼化物等等。这是其他制作方法无法比拟的，因此它在众多纳米材料制作方法中占有较高地位，常用气相法包括真空蒸发冷凝法、高压气体雾化法、高频感应加热法、化学气相沉积法等[7]。

2.3.3 液相法

近几年，伴随着研究工作的不断深入，获得了新的研究成果，即可以使用液相合成法来获得纳米晶。液相法不需要使用繁琐、复杂的设备，只是简单地将溶液混合、调控就可以获得纳米晶。常用液相法有如下三种。

（1）沉淀法：现阶段，通过沉淀获取纳米晶的方法有三种，第一种，直接沉淀，即将溶液混合，获取沉淀，利用沉淀合成氧化物纳米粒子；第二种，共均匀沉淀，即控制沉淀生成速度，降低晶粒凝聚速度，使沉淀以一种均匀状态出现在溶液当中，提高纳米粒子纯度；第三种，催化剂沉淀，即在混合溶液中加入沉淀剂，再使用加热分解法获取纳米粒子。

（2）溶胶凝胶法：选择高化学互动组成的化学物为反应前驱体，在液相环境中对原材料进行均匀混合处理，然后再凭借水解操作获得溶胶，引导溶质完成胶化处理，再通过加热去除其中的有机成分，获得纳米粒子。此方法的优点为可以获得传统制备方法无法获得的产物。

（3）水热反应法：根据水热反应类型，可以将其分成氧化、还原、水解、沉淀、结晶五大类。此方法的优点为成本低、分散性高、纯度高、结晶性强。

3 Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶在光电器件方面的应用

伴随我国社会经济的不断发展，能源需求日益提高，提高可再生能源的利用率成了首要问题，太阳能电池研究课题备受关注。现阶段，太阳能电池研究领域的热门研究话题为如何使用硅基及其他无机金属化合物制作太阳能电池。但是此项工作制作流程复杂、成本较高，因此无法大范围推广。在国际范围内，有机/聚合物太阳能电池应用频率不断提高，与硅基及其他无机金属化合物制作的太阳能电池相比，有机/聚合物太阳能电池具有材料来源广泛、制作流程简单等优点，但是目前，有机/聚合物太阳能电池稳定性较低，为解决此类问题，研究人员尝试在其中加入无机半导体纳米晶，以提高太阳能电池稳定性。出现此情况的主要原因为无机半导体纳米晶材料具有以下两大优点：（1）通过调节材料种类、尺寸可以改变半导体纳米晶能级与带隙，提高其性能，扩大太阳能电池应用范围；（2）半导体纳米晶材料电子迁移速率较高，化学稳定性较强。

现阶段，研究人员针对Ⅱ-Ⅵ族无机半导体纳米晶材料研究较多，主要研究内容包括CdSe、CdS、CdTe、ZnO等，以及有机聚合物的PPV类物质，比如MEH-PPV、MDMOPPV、P3HT等。

目前，与由CdSe纳米晶和有机半导体制成的太阳能电池有关的报道最多。1996年，N.C.Greenham在具有空穴传输性能的聚合物MEH-PPV中加入了粒径为5nm的CdSe纳米晶，MEH-PPV中出现了荧光淬灭情况。造成这种情况出现的主要原因为在光照条件下，纳米晶中的空穴因光照影响会转移到聚合物中，但是电子却仍然依附在纳米晶表面，导致给体与受体之间会出现电荷分离现象。研究结果表明，太阳能电池内部填充因子为0.26，光电转化率仅有0.1%。之所以出现此情况，主要是因为在此体系中电子传导能力较低，只会在纳米晶之间完成跳跃，最终落至纳米晶/聚合物网络中。为了改变这一情况，提高电子迁移率，Huynh等研究人员尝试找到可以替代纳米晶的材料，最早使用CdSe纳米棒，以及空穴传输能力更好的聚噻吩（P3HT），但是实际效果并不理想。

除此之外，近年来，许多研究人员尝试使用ZnO与CdTe制作异质太阳能电池。与CdSe所不同的是，CdTe纳米晶吸收范围更加广，提高了太阳能电池光谱响应范围，并且其迁移率更，可以更好地完成电荷离化。Waldo JEB等研究人员首次使用MDMO-PPV与5nm的ZnO纳米棒完成了异质结太阳能电池，对其进行详细分析后得到结论：ZnO与MDMO-PPV界面之间能更好地分离电子与空穴，而且ZnO电子迁移率较高，能量转换效率可以达到1.6%。Donghwan等研究人员借助电镀法将垂直排列的CdTe纳米晶与P3OT聚合物制作成了异质结太阳能电池，改善了太阳能电池的光学吸收范围与电荷离化，与纯聚合物太阳能电池相比，所制作异质结太阳能电池的光电转换率更好，可以提高为1.06%。

4 结语

现阶段，Ⅱ-Ⅵ族半导体纳米晶在光电器件方面的应用研究工作正处于不断发展之中，会发现许多问题，研究人员应针对所发现问题进行具体分析，制定具体解决方案，推动研究工作发展。伴随研究工作不断深入，此方面研究终将会获得令研究人员满意的成果，在未来的实际工作中，研究成果终将被普及。