[发明专利]一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构及其制备方法与应用，其中，贵金属Au纳米粒子的SPR效应可以进一步增强半导体InGaN纳米柱对太阳光的吸收；此外，Au纳米粒子与半导体InGaN纳米柱界面处产生的肖特基势垒有利于促进光生电子空穴对的分离，从而提高器件的PEC光电转换效率。本发明制备Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构的方法，具有生长工艺简单、可重复性强的优点。最后，本发明公开的Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合材料，禁带宽度在0.67~3.4 eV范围可调，具有较大的比表面积，对太阳光有较强的吸收，适用于光电解水产氢。

技术领域

本发明涉及InGaN纳米柱，特别涉及一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构及其制备方法与应用。

背景技术

氢能具有能量密度高、可循环利用和绿色环保等优点，在国防科技、航天航空、工业生产中已经大量运用。作为一种理想的能源载体，氢可以通过燃烧产生动力(如氢燃气轮机、氢汽车发动机等)，也可以通过氢燃料电池等方式驱动各类电子设备及电驱动车。光电化学(Photoelectrochemical，PEC)解水产氢能够将太阳能有效地转换和存储为清洁的、可再生的氢能，具有重要的研究意义。

在过去的四十年中，研究人员主要致力于探索能够实现高效PEC解水的合适半导体。其中，InGaN材料由于带隙可调，可实现可见光光谱范围内光电解水产氢，引起了研究人员的广泛关注。此外，当InGaN材料缩小到纳米尺寸的纳米柱时，表现出了一些独特的性能：(1)InGaN纳米柱具有超高的表面积/体积比，其超高的比表面积使应变在纳米柱侧壁被有效弛豫，能显著降低缺陷密度，进而降低载流子非辐射复合的概率；(2)纳米柱结构减小了光生载流子到半导体/电解质界面的迁移距离，降低了光生载流子的复合概率，更有利于光生电子、空穴分别去参加析氢、析氧反应；(3)纳米柱超高的比表面积能够增强光吸收，提高对太阳光的利用，并且增大了半导体/电解液的界面反应面积。综上所述，InGaN纳米柱在光电解水产氢领域具有独特的优势，是理想的光电解水材料。

当前，基于InGaN纳米柱光催化材料的PEC解水产氢技术获得了较快的发展。然而，如何实现对太阳光更高效地利用及光生电子空穴对的有效分离、传输仍是提高InGaN纳米柱PEC解水产氢效率的两大关键问题。众所周知，表面等离共振(SPR)是贵金属纳米粒子的固有属性，而当采用贵金属纳米粒子修饰半导体时，谐振光子激发金属纳米粒子中的自由电子产生振荡，即所谓的SPR，增强了半导体表面的电场强度，进而增强了对半导体表面光子的俘获。其次，贵金属纳米粒子修饰半导体在异质界面处产生的肖特基势垒可以促进光生电子空穴对的有效分离。因此，采用贵金属Au纳米粒子修饰InGaN纳米柱表面，构建InGaN纳米柱@Au纳米粒子异维复合结构，应用于光电解水产氢具有重要的科学与应用意义。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构。采用Au纳米粒子修饰InGaN纳米柱，贵金属Au纳米粒子的SPR效应可以进一步增强半导体InGaN纳米柱对太阳光的吸收；此外，Au纳米粒子与半导体InGaN纳米柱界面处产生的肖特基势垒有利于促进光生电子空穴对的分离，从而提高器件的PEC光电转换效率。

本发明的另一目的在于提供一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构的制备方法。

本发明的另一目的在于提供上述一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构的光电解水产氢应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种Si衬底上InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构，包括Si衬底1，生长在Si衬底1上的AlN缓冲层2，生长在AlN缓冲层上的InGaN纳米柱@Au纳米粒子复合结构3。

优选的，所述AlN缓冲层的厚度为5-50nm。