【正文】 很大的影響，因?yàn)檫@也是與硅薄膜的主要區(qū)別，近期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。圖中的θ和f 分別是頂角和方位角。轉(zhuǎn)移矩陣法（Transfer matrix method TMM）被證明非常適合于這種周期性的體系研究。電聲耦合在半導(dǎo)體體相的效應(yīng)已經(jīng)被廣泛研究，但是對(duì)電聲耦合對(duì)納米材料的影響的研究仍然非常有限。 磷鈍化的硅納米線表面(a)空穴的等電荷分布圖；(b)電子的等電荷分布圖Chen等人最近報(bào)導(dǎo)了通過(guò)TiO2表面結(jié)構(gòu)的無(wú)序化達(dá)到調(diào)控TiO2能帶結(jié)構(gòu)的目的[4]，對(duì)TiO2的光催化應(yīng)用提高了其光吸收的效率，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)的無(wú)序化是對(duì)TiO2能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控的有效手段，并能有效的提高其光的吸收效率。其中空穴分布在硅(110)表面的中間（），而電子則分布在硅(110)表面的邊上（）。同時(shí)，表面鈍化可以產(chǎn)生有效的摻雜，原因在于有效的電子轉(zhuǎn)移以及電子空穴對(duì)的有效電荷分離。 近紅外量子點(diǎn)對(duì)小鼠體內(nèi)KB腫瘤組織的高靈敏、特異性標(biāo)記(1) 硅納米材料的結(jié)構(gòu)調(diào)控、表面修飾、摻雜對(duì)硅納米材料性能影響的理論模擬和設(shè)計(jì)本項(xiàng)目計(jì)劃用第一性的DFT密度泛函方法來(lái)系統(tǒng)的研究硅納米材料的結(jié)構(gòu)、表面修飾對(duì)其光電性能的影響。再結(jié)合硅基探針的近紅外/上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)和優(yōu)異光穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)在小鼠體內(nèi)對(duì)hCG的高靈敏度、實(shí)時(shí)長(zhǎng)程標(biāo)記，進(jìn)而為絨毛膜癌微轉(zhuǎn)移的早期檢測(cè)提供重要依據(jù)。(3) 硅基熒光探針對(duì)腫瘤微轉(zhuǎn)移早期檢測(cè)的應(yīng)用研究考慮到腫瘤的多樣性，難以在一個(gè)項(xiàng)目中完成所有腫瘤微轉(zhuǎn)移研究，在本項(xiàng)目中擬采用絨毛膜癌微轉(zhuǎn)移作為研究模型開(kāi)展研究。用誘導(dǎo)耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICPMS）分別對(duì)消解所得溶液的離子含量進(jìn)行測(cè)試，從而得到納米材料在不同臟器中的短期/長(zhǎng)期分布。② 活體層次的生物安全性評(píng)價(jià)。即將一定數(shù)量（如：10, 000個(gè)）的絨毛癌細(xì)胞鋪在96孔板，分別加入不同濃度的硅納米探針，在5% CO2和37 oC條件下進(jìn)行共孵育。在此基礎(chǔ)上，建立一套溫和、有效的硅基納米材料與蛋白質(zhì)偶聯(lián)方法，開(kāi)發(fā)具有不同生物功能的硅基生物熒光探針。在本項(xiàng)目中擬以聚乙二醇（PEG）的修飾提高硅基熒光納米探針的血流半衰期，同時(shí)在硅納米材料與連接的生物分子間插入PEG橋還有利于保持探針的生物活性。擬采用經(jīng)典的EDC/NHS（N(3dimethylaminopropyl)N ethylcarbodiimde hydrochloride (EDC)/N hydroxysuccinimide(NHS)）生物偶聯(lián)方法。在超薄單晶或多晶硅片及微晶硅片上構(gòu)筑的有機(jī)無(wú)機(jī)雜化太陽(yáng)能電池，采用表面化學(xué)鍵合的方法或?qū)⒂袡C(jī)半導(dǎo)體分子體沉積到電池的背面后對(duì)電池進(jìn)行有效鈍化，克服硅納米線背面的電荷復(fù)合速度，提高電池的開(kāi)路電壓和短路電流，增強(qiáng)電池在紅外光譜范圍的響應(yīng)。考察不同種類共軛分子和厚度等因素對(duì)太陽(yáng)能電池性能的影響。(3) 有機(jī)無(wú)機(jī)雜化核殼結(jié)構(gòu)的一維硅納米陣列光伏器件的構(gòu)筑及性能優(yōu)化構(gòu)筑基于共軛分子和一維硅納米陣列雜化結(jié)構(gòu)的光伏器件。pin結(jié)構(gòu)的光伏器件的制備和表征。pn異質(zhì)結(jié)光伏器件制備和表征。利用光伏電池表征系統(tǒng)對(duì)器件的開(kāi)路電壓（Voc），短路電流（Jsc）,填充因子（FF）,電池轉(zhuǎn)換效率（η）,外量子轉(zhuǎn)換效率（EQE），內(nèi)量子轉(zhuǎn)換效率（IQE），串聯(lián)電阻（Rs）和并聯(lián)電阻（Rsh）等參數(shù)進(jìn)行表征，最終實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率的光伏電池。 對(duì)于pn同質(zhì)結(jié)光伏器件，考察不同摻雜濃度、摻雜的擴(kuò)散深度、硅納米線陣列的密度、直徑大小、硅納米線的長(zhǎng)度、硅納米線表面的態(tài)密度分布、殼層摻雜濃度、殼層厚度。另外，利用光刻等微納加工工藝，構(gòu)筑基于硅納米結(jié)構(gòu)單體的場(chǎng)效應(yīng)器件，測(cè)量單體的電輸運(yùn)性質(zhì)。在本項(xiàng)目中，我們將利用掃描電鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、透射電鏡（TEM），原子力顯微鏡（AFM）以及掃描隧道顯微鏡（STM）等各種手段對(duì)硅納米結(jié)構(gòu)的形貌、尺寸、結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征分析。我們將考察不同的表面有機(jī)、無(wú)機(jī)摻雜物對(duì)硅納米結(jié)構(gòu)摻雜的效果，尋找最有效的摻雜控制方式。具體做法包括：利用化學(xué)與物理刻蝕（如氧等離子體和反應(yīng)離子刻蝕），清潔硅納米結(jié)構(gòu)表面。另外，我們?cè)谧罱难芯恐幸舶l(fā)現(xiàn)，碳量子點(diǎn)和硅量子點(diǎn)中存在發(fā)光上轉(zhuǎn)換現(xiàn)象[3]，因此將量子點(diǎn)與硅納米陣列復(fù)合，量子點(diǎn)在吸收紅外光后，可以激發(fā)出可以被硅納米結(jié)構(gòu)吸收的可見(jiàn)光，間接拓寬了陣列有效光吸收范圍。之前的研究表明，由于硅納米陣列具有大的比表面積，其表面存在大量的缺陷態(tài)，形成很多次能級(jí)，因此其吸光范圍可以小于其帶隙，能吸收更多紅外光[1]。本項(xiàng)目中我們將重點(diǎn)研究14 nm 零維硅納米結(jié)構(gòu)的大量制備以及組裝的方法，考察其尺寸、表面組成對(duì)能帶結(jié)構(gòu)和發(fā)光的影響，對(duì)其發(fā)光過(guò)程與機(jī)制展開(kāi)深入研究，探索能夠有效調(diào)控其光學(xué)性能（除可見(jiàn)光發(fā)光外，重點(diǎn)探索紅外及上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能調(diào)控），滿足其后續(xù)應(yīng)用要求的化學(xué)、物理及生物修飾方法。通過(guò)此過(guò)程的重復(fù)，由單片硅襯底可以得到多片相同面積的硅納米陣列，從而大大降低陣列結(jié)構(gòu)制備成本。但目前硅納米陣列的制備多在很厚的單晶硅襯底（數(shù)百微米）上完成，單晶襯底的使用仍是限制硅納米陣列制備成本的一大因素。前期的大量工作已證明此方法適用于高度有序的硅納米線/孔陣列的合成（），且陣列的取向、結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)完全可以由選擇合適的刻蝕硅基底來(lái)控制。后者主要以金屬催化刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕等物理、化學(xué)刻蝕方法，通過(guò)對(duì)硅基底的選擇性刻蝕，實(shí)現(xiàn)硅納米線/孔陣列的制備。其制備過(guò)程為：首先將零維硅納米結(jié)構(gòu)和丙烯酸單體溶液充分?jǐn)嚢杌靹?，作為反?yīng)的前體溶液；然后依次用不同發(fā)光波長(zhǎng)的光源（藍(lán)光和紫外光）對(duì)前體溶液進(jìn)行分步輻射；隨著紫外光輻射時(shí)間的延長(zhǎng)，丙烯酸單體逐漸交聯(lián)聚合為聚丙烯酸，同時(shí)零維硅納米結(jié)構(gòu)通過(guò)自組裝方式形成包含有很多零維硅納米結(jié)構(gòu)的硅納米微球。前期的大量工作已經(jīng)證實(shí)該方法是一種制備零維硅納米材料的簡(jiǎn)單有效的方法。同時(shí)，在理論上對(duì)硅納米結(jié)構(gòu)光學(xué)/光電性能進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，對(duì)硅納米結(jié)構(gòu)光伏器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，為相關(guān)實(shí)驗(yàn)工作提供理論指導(dǎo)。(5) 建立溫和的生物分子偶聯(lián)方法，實(shí)現(xiàn)發(fā)光硅納米結(jié)構(gòu)與生物分子的定向偶聯(lián)，構(gòu)建具有良好的光學(xué)特性和生物活性的偶聯(lián)產(chǎn)物，并將其作為生物探針與特定的腫瘤標(biāo)志物進(jìn)行高靈敏度、高特異性靶向標(biāo)記，在動(dòng)物層次，實(shí)現(xiàn)基于硅納米結(jié)構(gòu)的絨毛膜癌微轉(zhuǎn)移的熒光示蹤，為早期診斷、治療絨毛膜癌提供重要依據(jù)（獲得新的研究和檢測(cè)手段）。(2) 揭示形貌、尺寸、表面/界面結(jié)構(gòu)及其演化等對(duì)硅納米結(jié)構(gòu)光學(xué)/光電性能的影響規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)，通過(guò)控制硅納米結(jié)構(gòu)形貌、尺寸、表面/界面，以及其它結(jié)構(gòu)因素，實(shí)現(xiàn)針對(duì)光功能應(yīng)用目標(biāo)的硅納米結(jié)構(gòu)性能的調(diào)控。同時(shí)將通過(guò)分子力學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)模擬研究一維、零維硅納米材料的結(jié)構(gòu)、表面修飾以及摻雜對(duì)其穩(wěn)定性的影響，同時(shí)通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型研究一維硅納米結(jié)構(gòu)不同形貌、幾何參數(shù)下對(duì)光吸收效率的影響，從而闡明一維硅納米結(jié)構(gòu)提高光吸收能力的物理機(jī)制，并基于以上的理論模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行光電器件的仿真研究。采用柔性轉(zhuǎn)移的手段，制備的硅納米線陣列轉(zhuǎn)移到柔性襯底上，采用溶液加工技術(shù)如旋涂和打印手段，構(gòu)筑核殼結(jié)構(gòu)有機(jī)無(wú)機(jī)雜化電池，最終形成柔性可彎曲光伏器件。利用等離子增強(qiáng)沉積非晶硅制備pn異質(zhì)結(jié)和pin結(jié)光伏器件。一維硅納米陣列結(jié)構(gòu)光學(xué)性能調(diào)控：對(duì)氣相生長(zhǎng)，以及物理、化學(xué)刻蝕方法制備的硅納米線/孔陣列的光學(xué)性質(zhì)展開(kāi)系統(tǒng)研究，并發(fā)展相應(yīng)的光學(xué)性能調(diào)控手段；詳細(xì)考察陣列結(jié)構(gòu)參數(shù)、硅材質(zhì)、生長(zhǎng)基底、表面處理等對(duì)一維硅納米陣列光學(xué)性能的影響；通過(guò)實(shí)驗(yàn)與理論模擬相結(jié)合，建立陣列結(jié)構(gòu)與其光學(xué)性能的關(guān)系，進(jìn)而通過(guò)優(yōu)化陣列結(jié)構(gòu)、表面修飾、減反處理等手段實(shí)現(xiàn)陣列高效吸光；將研究硅納米陣列結(jié)構(gòu)中上轉(zhuǎn)換、單光子多電子體系的構(gòu)筑，并對(duì)其相關(guān)過(guò)程進(jìn)行探索，著重研究能夠有效利用入射光子并提升陣列全太陽(yáng)光譜吸收能力的手段。(1) 光功能導(dǎo)向的硅納米結(jié)構(gòu)的高效、可控制備零維硅納米材料的制備：繼續(xù)完善和發(fā)展現(xiàn)有的多酸輔助電化學(xué)陽(yáng)極腐蝕方法，重點(diǎn)提高合成效率與可控性，通過(guò)調(diào)控、優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)，精確控制硅量子點(diǎn)的生長(zhǎng)尺寸和粒徑分布（主要在14 nm之間），并對(duì)硅量子點(diǎn)的尺寸特征與表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)合成；通過(guò)對(duì)硅量子點(diǎn)進(jìn)行表面改性與化學(xué)、物理和生物修飾，實(shí)現(xiàn)具有高熒光發(fā)光效率、良好穩(wěn)定性、水溶性及生物相容性的硅量子點(diǎn)的宏量制備；在目前小規(guī)模制備的基礎(chǔ)上，嘗試擴(kuò)大反應(yīng)系統(tǒng)，增加量子點(diǎn)產(chǎn)率，并通過(guò)使用低純度硅、多晶硅替代高純單晶硅等方式，降低成本，以實(shí)現(xiàn)高效、低成本硅量子點(diǎn)的制備；同時(shí)，發(fā)展甲烷熱分解、激光氣化等其它合成手段，通過(guò)對(duì)不同的合成手段進(jìn)行分析比較，探索最有效的硅量子點(diǎn)合成工藝。將通過(guò)對(duì)硅納米結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行特殊修飾，以改善其光/化學(xué)穩(wěn)定性；研究硅納米材料表面的特定功能團(tuán)與不同生物分子作用機(jī)理，從而實(shí)現(xiàn)不同生物分子與硅納米材料的定向偶聯(lián)。但是，由于硅納米結(jié)構(gòu)具有大的比表面積，表面有很多懸空未飽和的化學(xué)鍵，形成很多的電荷缺陷狀態(tài)，導(dǎo)致電荷在表面的復(fù)合速度較快，光電轉(zhuǎn)換效率因此會(huì)大幅度降低。(2) 硅納米結(jié)構(gòu)形貌、尺寸、表面/界面結(jié)構(gòu)及其演化等與其光物理性能關(guān)系硅納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)/光電性質(zhì)受到形貌、尺寸、組分等諸多因素的影響，因此，對(duì)這些影響因素展開(kāi)系統(tǒng)研究，理解其作用機(jī)制，發(fā)展適合的調(diào)控手段，最終實(shí)現(xiàn)控制硅納米結(jié)構(gòu)光學(xué)/光電性能的目的，對(duì)于硅納米結(jié)構(gòu)在光伏、熒光標(biāo)記等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的意義。項(xiàng)目名稱：光功能導(dǎo)向的硅納米結(jié)構(gòu)高效、可控制備及其應(yīng)用的基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：張曉宏 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所起止年限：依托部門：中國(guó)科學(xué)院一、關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題及研究?jī)?nèi)容(1) 面向光功能應(yīng)用的硅納米結(jié)構(gòu)的低成本、宏量及可控制備方法與原理雖然硅納米結(jié)構(gòu)的控制合成在過(guò)去十幾年取得了很大進(jìn)展，但目前這方面的研究仍主要局限于方法和機(jī)制階段，在成本、規(guī)模、可控性研究方面離實(shí)用化及應(yīng)用需求還有很大距離。擬采取的措施包括：采用低純度硅或多晶硅、發(fā)展低成本納米壓印或自組裝技術(shù)制備硅納米線/孔陣列，并使用卷對(duì)卷（rolltoroll）技術(shù)對(duì)陣列進(jìn)行逐層剝離轉(zhuǎn)移等，也將進(jìn)一步完善和發(fā)展多酸輔助電化學(xué)陽(yáng)極腐蝕制備硅量子點(diǎn)的方法，力爭(zhēng)在硅納米結(jié)構(gòu)的制備方法與原理上有所突破與創(chuàng)新。(3) 高效、穩(wěn)定光伏器件中硅納米結(jié)構(gòu)表面的光生電子與空穴的快速?gòu)?fù)合盡管我們目前已經(jīng)成功制備了光電轉(zhuǎn)換效率大于10%的硅納米陣列結(jié)構(gòu)光伏電池，這種結(jié)構(gòu)具有更大的pn結(jié)界面，有利于電荷的快速分離和傳輸。(4) 硅納米結(jié)構(gòu)在復(fù)雜生物環(huán)境中對(duì)腫瘤標(biāo)志物的高特異性、高靈敏度熒光標(biāo)記檢測(cè)在復(fù)雜的生物環(huán)境中，將硅納米材料靶向標(biāo)記到特定的腫瘤標(biāo)志物，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)、長(zhǎng)程跟蹤和研究，是實(shí)現(xiàn)腫瘤微轉(zhuǎn)移早期檢測(cè)的關(guān)鍵所在。本項(xiàng)目將通過(guò)硅基熒光納米結(jié)構(gòu)與某一惡性腫瘤的腫瘤標(biāo)志物對(duì)應(yīng)抗體連接，利用抗原/抗體免疫反應(yīng)的高度專一性，結(jié)合硅納米材料的近紅外/上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性和優(yōu)異光穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)硅基熒光探針對(duì)腫瘤標(biāo)志物的高特異性、高靈敏度、實(shí)時(shí)長(zhǎng)程靶向標(biāo)記，進(jìn)而對(duì)腫瘤微轉(zhuǎn)移的進(jìn)行早期檢測(cè)。(2) 硅納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)/光電性能調(diào)控零維硅納米結(jié)構(gòu)光學(xué)性能調(diào)控：研究硅量子點(diǎn)的光學(xué)性能調(diào)控方法，實(shí)現(xiàn)硅量子點(diǎn)的控制生長(zhǎng)、修飾和組裝；優(yōu)化合成參數(shù)，精確控制硅量子點(diǎn)的生長(zhǎng)尺寸、粒徑分布、表面結(jié)構(gòu)，研究良好穩(wěn)定性、水溶性及生物相容性下硅量子點(diǎn)發(fā)光性能的調(diào)控；深入研究硅量子點(diǎn)的發(fā)光來(lái)源與機(jī)制，建立發(fā)光性能與其結(jié)構(gòu)、尺寸、表面/界面、量子點(diǎn)之間相互作用的關(guān)系，揭示影響其發(fā)光性能的因素并探索可能的解決方法；重點(diǎn)探索通過(guò)表面修飾以及量子點(diǎn)組裝，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)、強(qiáng)度、效率等光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)制的方法。通過(guò)對(duì)擴(kuò)散濃度和深度的控制，研究?jī)?nèi)建電場(chǎng)與光吸收區(qū)重合程度對(duì)光生電子空穴對(duì)的產(chǎn)生、分離以及輸運(yùn)過(guò)程的影響。有機(jī)無(wú)機(jī)雜化核殼結(jié)構(gòu)的一維硅納米陣列光伏器件的研究：研究在低成本襯底上制備硅納米結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑有機(jī)無(wú)機(jī)雜化復(fù)合體系，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的雜化結(jié)構(gòu)的制備；研究不同表面結(jié)構(gòu)與光伏器件結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，揭示硅納米結(jié)構(gòu)與有機(jī)無(wú)機(jī)雜化制備技術(shù)對(duì)光電轉(zhuǎn)換性能的影響，特別是不同修飾界面對(duì)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率的影響；研究硅納米結(jié)構(gòu)的尺寸與密度、表