大学生研究性学习和创新性试验计划项目申报表项目名称

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，V ASP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：1、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：11074212），主持，2011-2013年2、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3、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：11032010），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，半导体异质结的晶型结构也使光催化活性得到提高。

柳清菊等[15]采用溶胶-凝胶法及浸渍提拉法在普通载玻片上制得了TiO2/Fe2O3复合薄膜，分析结果表明：复合薄膜均优于纯TiO2薄膜的光催化活性，Fe2O3物质的量分数为0.5%时光催化活性最好。

李昱昊等[16]采用浸渍法制备了CdS/TiO2复合半导体光催化剂，对样品的表面组成及光吸收特性进行了分析，结果表明，样品中的硫主要以CdS 形式存在，其外层包裹了一层CdSO4；由于在TiO2 表面修饰了CdS，使样品的吸收带边由400 nm (3.1 eV)红移至530 nm（2.3 eV)。

梅长松等[17]用溶胶–凝胶和浸渍–还原相结合方法制得M/WO3–TiO2(M=Pd，Cu，Ni，Ag)光催化剂，分析结果表明，金属负载在复合半导体上延迟了TiO2 由锐钛矿向金红石相转化，增强W与载体TiO2 的相互作用，使TiO2 对可见光部分的吸收明显增加；固体材料吸光性能强弱顺序：Pd/WO3-TiO2 > Cu/WO3-TiO2 > Ag/WO3-TiO2 > Ni/WO3-TiO2。

尽管这些研究表明，半导体异质结能有效提高光催化活性和有效地降低体系的禁带宽度，但对半导体异质结或者超晶格的能带结构调控缺乏具体认识。

在本创新实验中，我们将通过第一性原理方法，系统研究半导体超晶格的能带结构，探索引起半导体超晶格能带结构变化的基本因素，并总结其规律，为设计光催化材料奠定理论基础。

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