纳米材料：在半导体纳米晶体的路径上隐藏无间隙状态！
异乎寻常的转变导致氧化锌的一种前体，最初是绝缘体，大约是。300摄氏度进入具有典型金属电特性的状态，在约400摄氏度时变成半导体。图片来源：IPC PAS。
当华沙波兰科学院物理化学研究所的化学家开始研究一种专为高效生产纳米晶氧化锌而设计的新材料时，他们没有发现任何意外。因此，当变化材料的电气特性变得非常奇特时，它们非常惊讶。
单源前体（SSP）方法被广泛认为是制备半导体纳米晶体材料的有前景的策略。然而，SSP的合理设计及其对具有高度可控物理化学性质的所需纳米材料的受控转化的一个障碍是在转化过程中缺乏机械洞察力。波兰科学院物理化学研究所（IPC PAS）和华沙理工大学化学系（WUT）的科学家现在报告说，在预先组织的锌的热分解过程中烷氧化物前体，半导体氧化锌（ZnO）相的成核和生长之前是级联转化，其涉及形成先前未报道的具有无间隙电子态的中间基团锌氧代醇盐簇。到目前为止，这些类型的簇还没有被认为是在半导体ZnO相的路径上的中间结构或者是作为ZnO纳米晶体的各种缺陷状态的潜在物质。
“我们发现，经过数十年研究的ZnO前体中的一种，锌醇盐化合物，在热分解时经历了先前未观察到的物理化学转化。最初，起始化合物是绝缘体。当加热时，它迅速转变成具有的物质。类似导体的特性，以及温度的进一步升高同样迅速地导致其转变为半导体，“KamilSokołowski博士（IPC PAS）说。
以受控方式设计和制备明确定义的纳米材料仍然是一项巨大的挑战，并且被公认为是利用许多纳米尺度现象的最大障碍。Lewiński教授（IPC PAS，PW）多年来一直致力于开发生产纳米晶形氧化锌的有效方法，氧化锌是一种在电子，工业催化，光伏和光催化领域具有广泛应用的半导体。其中一种方法是基于单一来源的前体。前体分子在其结构中包含靶材料的所有组分，并且仅需要温度来触发化学转化。
“我们处理了一组具有通式RZnOR的化合物，作为单源预先设计的ZnO前体。它们结构的一个共同特征是立方[Zn 4 O 4 ]核的存在，交替的锌和氧原子被终止有机基团R.当前体被加热时，有机部分被降解，无机核自组装，形成纳米材料的最终形式，“Sokołowski博士解释说。
测试的前体具有绝缘体的性质，能隙约为5电子伏。当加热时，它最终转变成具有约3eV能隙的半导体。
“我们研究的一个特殊结果是发现在接近300摄氏度的温度下，化合物突然转变成几乎无间隙的电子状态，显示出更典型的金属电性能。当温度上升到大约400度时，能量差距突然扩大到半导体材料的宽度特征。最终，由于先进的同步加速器实验与量子化学计算相结合，我们已经建立了这些独特转换的所有细节，“Adam Pubas博士（IPC PAS）说。进行了量子化学计算。
使用由Jakub Szlachetko博士（克拉科夫核物理研究所）和Jacinto Sa博士（IPC PAS和乌普萨拉大学）在Villigen的Paul Scherrer研究所的Swiss Light Source同步加速器设备开发的方法进行光谱测量，瑞士。在反应室中加热该材料，并使用X射线同步加速器束对其电子结构进行取样。该设置允许实时监控转换。
通过计算机模拟支持的这种锌醇盐前体分解过程的详细原位研究表明，半导体ZnO相的任何成核或生长都先进行级联转化，包括形成先前未报道的中间基团锌氧代醇盐簇。无间隙的电子状态。
“在这个过程中，R-Zn键的均裂裂解是最初热分解过程的原因。计算机模拟显示中间自由基团簇倾向于通过不常见的双金属Zn-Zn键形成二聚体。下面的均裂OR键裂解然后导致亚纳米ZnO团簇进一步自组织成ZnO纳米晶相，“库巴斯博士说。
到目前为止，所形成的自由基锌氧簇不是在通往半导体ZnO相的途中作为中间结构，或者是作为ZnO纳米晶的各种缺陷状态的潜在物种。在更广泛的背景下，对缺陷的起源和特征的更深入理解对于半导体材料中的结构 - 性质关系是至关重要的。
该研究由国家科学中心资助，由欧盟共同资助的波兰科学基金会的TEAM资助，将有助于开发更精确的控制纳米晶氧化锌性能的方法。到目前为止，随着或多或少的成功，这些属性已经在各种类型的材料缺陷的帮助下得到了解释。然而，由于显而易见的原因，这些分析没有考虑到形成华沙科学家在材料中发现的特定自由基锌 - 氧簇的可能性。
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