[00136401]宽带隙半导体纳米材料的增强光学性能改进：金属掺杂策略

基于半导体（特别是宽带隙半导体）纳米材料作为SERS基底的研究无论是在SERS领域还是在纳米材料领域都显示出了广阔的应用前景,具有重要的理论和实际意义。半导体纳米材料作为一类新型的倍受关注的无毒、生物相容的SERS活性基底,高的SERS性能是必不可少的。 在我们前期Zn掺杂TiO2（Zn-TiO2）研究体系中,我们发现,适当的Zn离子掺杂能丰富TiO2纳米粒子的表面态（表面缺陷）并改善了与之相关的光生载流子的分离效率。丰富的表面态能级和光生载流子高的分离效率都有利于TiO2-to-molecule的电荷转移和吸附分子的SERS增强。然而,掺杂的Zn离子并没有进入TiO2的晶格取代Ti离子（这主要归因于Zn2+的离子半径大于Ti4+的离子半径）,而是以ZnO小团簇的形式弥散在TiO2微晶当中,这意味着在TiO2的带隙中并没有形成新的掺杂能级。鉴于此情况,本研究项目采用金属离子（过渡金属和贵金属等）掺杂的策略（即能级调控策略）,通过选择适当的金属离子,在宽带隙半导体（TiO2、ZnO）能隙中（靠近导带底的位置）直接插入（嵌入）金属离子掺杂能级的办法调控semiconductor-to-molecule电荷转移的动力学过程,进而改进和调控半导体纳米材料（TiO2和ZnO等）的SERS性能,揭示其影响因素,深入理解贡献于SERS的电荷转移机制及其影响因素。进一步证实semiconductor（TiO2）-to-molecule电荷转移机制的正确性和广泛性（普适性）,建立适用于解释宽带隙半导体材料SERS现象的电荷转移增强模型。并且,在此基础上探讨SERS活性与其荧光（或表面增强荧光）性能的关系,拓展半导体材料的其它增强光学性能。研究表明,适当的过渡金属离子掺杂（金属掺杂能级）和贵金属耦合有利于semiconductor （TiO2）-to-molecule的电荷转移和半导体的SERS增强。掺杂过渡金属离子的固有本性（种类、电负性和离子半径等）及掺杂量对半导体纳米粒子的SERS增强性能改进均有重要影响。 本项目研究取得了较好的成果,在Appl.Phys.Lett.、J.Phys.Chem.C和J.Raman Spectrosc.等SCI收录期刊上发表论文8篇,出版专著1部,发明实用新型专利2项。