无序工程黑色二氧化钛表面壳层中缺陷对激发态载流子动力学影响研究

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基本信息

项目摘要

Disorder-engineering was demonstrated to be a conceptually new approach to engineer the band structures of wide-bandgap oxide semiconductors by introducing disorder in the surface layers of the nanocrystals, the black resultants possess substantial solar-driven photocatalytic activities and strong microwave absorption properties. Although great effort has been devoted to develop this technique, a deeper understanding of the functions of defects in the black samples responsible for the disorder-engineering and resultant enhanced photocatalytic efficiency and strong microwave absoption is still lacking. In this project, We will study the influence of different defects in the surface disordered titanium dioxide on the dynamic process of excited state carriers, and analyze the regulatory mechanism of different defects on the photoelectric properties of materials. In experiment, the selective control of the defects in the disordered shell is achieved by high-pressure hydrogenation or chemical reduction. The carrier relaxation process of excited states with different defects will be investigated by femtosecond laser pump-probe technique. Theoretically,First principles calculations are used to simulate the role of hydrogen impurity and oxygen vacancy related defects in lattice disorder and the influence of band gap structure, then we will study the carrier relaxation process of excited states based on time-dependent density functional theory. Combining theory with experiment, we can determine the corresponding paths of relaxation process at different time scales, clarify the physical mechanisms of different defects in improving the photocatalytic and microwave absorption of disordered-engineered oxide, and provide physical basics for the optimization of material preparation strategy.
无序工程技术是利用表面晶格无序化调节宽禁带氧化物半导体能带结构,获取具有高效光催化、强微波吸收等多功能性材料的新技术。虽然国内外对该技术开展了大量研究,但无序化处理引入的缺陷在材料光催化及电磁特性调控方面的作用机制尚存争议。本课题将通过研究表面无序二氧化钛中不同缺陷对激发态载流子动力学过程影响,解析不同缺陷对材料光电特性的调节机制。实验上,通过高压氢化及化学还原实现纳米二氧化钛无序化壳层中缺陷的选择性调控,利用飞秒激光泵浦-探测技术研究含不同缺陷材料的激发态载流子弛豫过程。理论上,运用第一性原理计算模拟氢杂质及氧空位相关缺陷在晶格无序化中的作用及对能带结构的影响,进而采用基于含时密度泛函的分子动力学计算研究激发态载流子弛豫过程。理论结合实验确定不同时间尺度动力学过程的对应弛豫路径,厘清不同缺陷对改善无序工程氧化物光催化及微波吸收的物理机制,为材料制备策略的优化提供物理基础。

结项摘要

纳米尺度半导体光电材料高效性及先进功能的开发主要依赖于材料结构、杂质缺陷、表面界面的准确调控。无序工程技术是一种新型能带调控技术,其利用氧化物纳米材料表面晶格无序化实现了光催化性能及微波吸收能力的大幅提升,在能源及军事应用领域具有重大应用前景。本项目针对无序工程氧化物半导体制备方法的革新及表面无序二氧化钛中不同缺陷对激发态载流子动力学过程影响开展系统研究工作,期望在厘清缺陷及结构调控实现二氧化钛材料光催化及微波吸收性能增强的物理机制。此外,在Ⅲ-Ⅴ族纳米线材料的晶型控制与掺杂方面开展系统研究工作,为纳米线器件性能提升提供优质材料基础。国家自然科学青年基金资助三年期间,课题研究达到既定目标,取得如下成果:1) 开发了安全高效的无序工程黑色二氧化钛纳米材料制备方法,利用瞬态吸收光谱确定了无序工程材料光催化增强的缺陷来源,2)构建了黑磷/二氧化钛复合异质结催化剂,实现光催化性能2.4倍提升,通过时间分辨光谱,紫外光电子能谱与第一性原理计算结合,证实了异质结构促进激子分离及载流子传输,实现光催化增强的物理机制,为富激子型材料光催化系统设计及在光催化产氢领域的应用提供新策略,3)分子束外延制备高质量GaAs纳米线及Be, Si掺杂调控GaAs纳米线结构相变及光学特性研究,提出了不同Ⅴ/Ⅲ比例对Si掺杂纳米线结晶与导电性调控作用指导方案4)仿真设计了任意偏振多焦点超透镜,获得了多通道、多功能和可控能量比的优越性能超透镜,在偏振成像,多路复用通信和多维全息图等领域具有重要应用。

项目成果

期刊论文数量(12)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
High-efficiency all-dielectric metalenses for multi-focus with arbitrary polarization
用于任意偏振多焦点的高效全电介质超透镜
  • DOI:
    10.1109/tvt.2021.3049189
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Results in Physics
  • 影响因子:
    5.3
  • 作者:
    Jiang Long;Chen Chen;Wang Yiqun;Fang Dan;Li Kexue;Zhang Baoshun;Wei Zhipeng
  • 通讯作者:
    Wei Zhipeng
Studies of Be, Si doping regulated GaAs nanowires for phase transition and optical properties
Be、Si 掺杂调节 GaAs 纳米线的相变和光学性能研究
  • DOI:
    10.7498/aps.70.20210782
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Acta Physica Sinica
  • 影响因子:
    1
  • 作者:
    Kang Yu-Bin;Tang Ji-Long;Li Ke-Xue;Li Xiang;Hou Xiao-Bing;Chu Xue-Ping;Lin Feng-Yuan;Wang Xiao-Hua;Wei Zhi-Peng
  • 通讯作者:
    Wei Zhi-Peng
Boosting Photocatalytic Hydrogen Production via Enhanced Exciton dissociation in Black Phosphorus Quantum Dots/TiO2 Heterojunction
通过增强黑磷量子点/TiO2异质结中的激子解离促进光催化产氢
  • DOI:
    10.1016/j.cej.2022.135138
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    Chemical Engineering Journal
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Renquan Guan;Lijing Wang;D;an Wang;Kexue Li;Huaqiao Tan;Yunning Chen;Xueying Cheng;Zhao Zhao;Qingkun Shang;Zaicheng Sun
  • 通讯作者:
    Zaicheng Sun
Growth of high-crystallinity uniform GaAs nanowire arrays by molecular beam epitaxy
分子束外延生长高结晶度均匀砷化镓纳米线阵列
  • DOI:
    10.1088/1674-1056/abf920
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Chinese Physics. B
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Kang Yubin;Lin Fengyuan;Li Kexue;Tang Jilong;Hou Xiaobing;Wang Dengkui;Fang Xuan;Fang Dan;Wang Xinwei;Wei Zhipeng
  • 通讯作者:
    Wei Zhipeng
Si掺杂对GaAs纳米线发光特性的影响
  • DOI:
    10.37188/cjl.20210059
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    发光学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李想;亢玉彬;唐吉龙;方铉;房丹;李科学;王登魁;林逢源;楚学影;魏志鹏
  • 通讯作者:
    魏志鹏

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其他文献

低噪声InGaAs/InP雪崩光电二极管的模拟分析
  • DOI:
    10.3788/cjl202148.1701001
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    中国激光
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    崔星宇;林逢源;张志宏;唐吉龙;方铉;房丹;王登魁;李科学;魏志鹏
  • 通讯作者:
    魏志鹏
自动聚焦在激光诱导击穿光谱检测中的应用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    光电工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李科学;钱惠国;李霞芬;秦雪飞
  • 通讯作者:
    秦雪飞
基于TPE的SpaRC算法超参数优化方法
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    计算机科学
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    邓丽;武金达;李科学;卢亚康
  • 通讯作者:
    卢亚康
医学机能实验教学改革应用及分析
  • DOI:
    10.13754/j.issn2095-1450.2019.06.13
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    基础医学教育
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    谭如彬;李翠;石玥;崔洁;张中海;高利平;李科学;刘勇林;张成标
  • 通讯作者:
    张成标
Be, Si掺杂调控GaAs纳米线结构相变及光学特性
  • DOI:
    10.7498/aps.70.20210782
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    亢玉彬;唐吉龙;李科学;李想;侯效兵;楚学影;林逢源;王晓华;魏志鹏
  • 通讯作者:
    魏志鹏

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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