【正文】 的體系研究。這里我們計劃將硅納米線陣列結構的理論模擬分為兩部分：① 通過轉移矩陣法系統(tǒng)地研究納米線長度、納米線距、納米線直徑對硅納米線陣列的光吸收效率的影響；可以預見到的是納米線距對硅納米線陣列的光吸收效率會有很大的影響，因為這也是與硅薄膜的主要區(qū)別，近期的實驗結果也驗證了這一點?？疾炝斯枇孔狱c的尺寸與帶隙的相互關系，研究了以硅量子點為催化劑的催化性能；通過對量子點尺寸的調控和表面功能化，得到多色發(fā)光的水溶性硅量子點。總之，本項目符合國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃，瞄準了我國在新能源和生物醫(yī)學技術發(fā)展的重大需求，以及半導體納米領域的關鍵科學問題。 課題1 硅納米結構的高效、可控制備與光學/光電性能調控研究研究目標:發(fā)展針對光功能應用的高效發(fā)光及一維陣列硅納米結構的規(guī)模化可控制備方法，實現(xiàn)高純度、尺寸、形貌和結構可控高效發(fā)光及一維陣列硅納米結構的宏量制備，為硅納米結構的規(guī)?；瘧锰峁┎牧媳Ｕ?；揭示形貌、尺寸、表面/界面結構及其演化等對硅納米結構光學/光電性能的影響規(guī)律，并以此為基礎，通過控制硅納米結構形貌、尺寸、表面/界面，以及其它結構因素，實現(xiàn)針對光功能應用目標的硅納米結構性能的調控。(2) 無機無機核殼結構的一維硅納米陣列光伏器件的構筑及性能優(yōu)化。(2) 硅納米線陣列結構光吸收效率的理論模擬。在硅片上刻蝕硅納米結構后，利用磷、硼熱擴散技術構建pn結并制作太陽電池。(2) 實現(xiàn)以化學氣相沉積和物理、化學刻蝕等多種方法可控制備硅納米線/孔陣列。通過使用ITO、金屬等廉價生長襯底，以及降低硅純度，使用多晶硅、非晶硅作為刻蝕硅襯底等方式，降低合成成本；結合表面納米壓印或大面積自組裝等技術，快速實現(xiàn)硅表面金屬催化劑圖案化，進而得到大面積納米線/孔陣列；通過將陣列的逐層剝離與轉移，并結合卷對卷等低成本工藝，實現(xiàn)硅納米線/孔陣列的高效、規(guī)模化制備，并采用柔性轉移襯底，進一步降低合成成本。(1) 建立宏量制備具有高熒光發(fā)光效率、良好穩(wěn)定性、水溶性及生物相容性硅量子點的的方法。第三年(1) 研究硅量子點的光學性能調控方法，進行硅量子點的控制生長、修飾和組裝；研究良好穩(wěn)定性、水溶性及生物相容性下硅量子點發(fā)光性能的調控。(2) 建立硅納米線/孔陣列形貌、尺寸、結構、表面/界面與其光學性能的關系，初步實現(xiàn)對其光學性能的調控。第四年(1) 探索通過表面修飾以及量子點組裝，對量子點發(fā)光波長、強度、效率等光學性質進行調制的方法。(1) 完善硅量子點光學性質調控的方法，發(fā)展以表面修飾與組裝等方法對其光學性質進行調制的方法。(9) 完成年度報告，發(fā)表1923篇高質量論文，申請69項發(fā)明專利。在此基礎上，拓展發(fā)光探針的生物影像研究。(8) 通過理論模擬方法闡述硅納米線陣列光吸收的物理機制，建立經(jīng)過實驗檢驗的理論模型。(6) 理解硅納米結構表面/界面光生載流子表面的快速復合機制，獲得可以制備高效硅納米電池的器件結構。對硅納米結構的光伏器件表面復合機制進行比較全面的物理測試，探討硅納米結構光伏器件的復合機制，并發(fā)展有效抑制硅納米結構表面復合的方法。(7) 實現(xiàn)硅基探針對絨毛膜癌細胞的特異性識別。探索和優(yōu)化硅基探針特異性標記絨毛膜癌細胞的實驗條件，對不同時間段絨毛膜癌細胞的轉移過程進行實時熒光跟蹤。(7) 通過理論模擬總結出有機小分子、共軛高分子、納米晶、量子點修飾的結構與性能的關系，給出優(yōu)化的有機小分子、高分子、納米晶、量子點方案。(4) 在硅納米材料表面上修飾有機/無機材料，包括有機小分子、共軛高分子、高惰性的金屬納米晶體和窄帶隙量子點等，通過模擬研究不同修飾材料對硅納米結構表面以及材料性能的影響。(6) 給出硅納米材料結構與主要性能的關系，總結出影響硅納米材料穩(wěn)定性的結構因素，以及提高硅納米材料的光電性能、熒光標記應用的結構特征。對硅基熒光探針在細胞層次的毒性進行評價，研究探針性質/結構、細胞株系、孵育條件與細胞毒性之間的關系。(7) 完成年度報告，發(fā)表1620篇高質量論文，申請36項發(fā)明專利。研究零維、一維硅納米材料性能與其直徑和尺寸的關系。利用化學氣相沉積及物理、化學刻蝕等方法制備硅納米線/孔陣列結構，通過優(yōu)化實驗參數(shù)，改進技術工藝，提高合成可控性，研究控制陣列尺寸、密度、占空比等陣列結構參數(shù)的方法。承擔單位：復旦大學、蘇州大學建議課題負責人：李富友教授 主要參加人員：章英劍教授、吳志英教授、何耀教授、黃順根副教授經(jīng)費比例：27% 課題4 硅納米結構的性能調控及相關應用的理論研究研究目標: 通過理論和數(shù)值模擬計算，闡明形貌、尺寸、表面/界面結構對硅納米結構光學/光電性能的影響機制，并建立若干經(jīng)過實驗檢驗的理論模型，為實驗設計和改進硅納米材料的性能提供理論指導，實現(xiàn)光電器件仿真。近期目標(兩年內）：與傳統(tǒng)單晶硅電池相比，硅材料用量少于50%以下（或硅材料純度低于1個數(shù)量級），效率達1315%；中期目標（五年內）：與傳統(tǒng)單晶硅電池相比，硅材料用量少于50%以下（或硅材料純度低于1個數(shù)量級），效率達1722%。通過硅納米結構的表面修飾，引入烷基硅碳鍵、共軛分子層、無機半導體化合物層的核殼結構，鈍化或阻止少數(shù)載流子到達表面，減小電荷的復合速度。由于使用硅片的成本降低，同時制作工藝簡化，有望大幅度降低當前硅電池的發(fā)電成本。為此，本項目將根據(jù)前期研究工作的基礎、新發(fā)現(xiàn)的科學和技術問題，結合國際前沿，開展針對光功能應用目標的硅納米結構高效（規(guī)?；⒖煽刂苽浼肮鈱W/光電性能調控研究，在解決硅納米結構光功能應用中共性的關鍵科學問題的基礎上，開展硅納米結構光伏及熒光標記的應用基礎研究。對硅光伏電池應用來講， eV。(2) 硅納米線陣列結構光吸收效率的理論模擬。同時我們將研究不同表面(110),(111)進行磷鈍化、氫鈍化對其電子性質的影響，這將為元素摻雜硅納米線表面奠定更詳細的理論基礎。通過外延生長法或者表面氧化法，可以利用很多元素對硅納米線的表面進行鈍化。研究表明異位hCG與腫瘤的發(fā)生發(fā)展、轉移特性以及腫瘤微環(huán)境和免疫耐受形成關系密切，因而以hCG為靶點并標記上探針，可開展絨毛膜癌微轉移的早期診斷和治療研究。具體為：以靜脈注射的方法，將一定量的納米探針從小鼠的尾部靜脈注入，作為實驗組；將一定量的生理鹽水以相同方式注入小鼠，作為對照組。具體為：① 細胞層次的生物安全性評價。另一方面，由于所制備的熒光硅基納米材料表面所含有的大量羧基官能團帶負電，因此，我們還可以嘗試利用靜電的相互作用，將其與帶有正電的抗生物素蛋白進行連接。在硅納米結構表面用化學方法沉積金屬納米顆粒實現(xiàn)等離子激元增強效應，改變硅納米結構表面的能帶彎曲結構，實現(xiàn)高效陷光和電荷的轉移及傳輸，獲得高性能太陽能電池。研究器件的光照IV及其光譜響應特性；通過光暗電導、激活能、霍爾效應測試確定非晶硅的工藝參數(shù)。利用磷、硼熱擴散技術對硅納米結構表面進行摻雜，形成pn同質結，沉積電極構筑硅納米結構的光伏器件。通過上述表征，最終揭示硅納米結構形貌、尺寸、摻雜、缺陷、表面、界面等因素對其光、電性質的影響，建立相關結構與性能的關系，從而找到調控硅納米結構光學/光電性能的方法。通過比較修飾前后光電性能的變化，進一步明確核殼結構的作用機理，并在此基礎上指導實驗的進行，實現(xiàn)以應用為目標的硅納米結構光電性能的調控。(3) 一維硅納米陣列結構光電性能調控在前期的工作中，我們在通過控制硅納米結構的形貌、尺寸、結構、組分、摻雜來調控硅納米結構光電性質方面積累了豐富的經(jīng)驗。在各種測試條件下，如單色光、太陽光，或改變入射光波長、角度、偏振，研究光在陣列中的吸收、反射、折射過程，將實驗數(shù)據(jù)與理論計算相對照，建立陣列結構與其光學性能的關系。通過將單晶硅上氣相外延生長的硅納米線陣列進行剝離（如使用聚合物PDMS進行剝離），并轉移至其它低成本襯底上（如PV、PET、不銹鋼帶等），不僅可以使單晶硅襯底得到重復利用，還可以拓展硅納米陣列在超輕、超薄、柔性光伏領域的應用，符合光伏電池發(fā)展的趨勢。在“由下至上”氣相生長法中，通過控制生長條件，如硅烷（SiH4）的流量、比例，摻雜氣體的使用，實現(xiàn)對硅納米線陣列形貌、尺寸、結構以及摻雜的控制，并通過金屬催化顆粒的大面積有序排布，實現(xiàn)硅線陣列定向、定位以及圖案化的生長；為降低襯底成本，除單晶硅外，進一步探索硅納米線陣列在ITO，以及Cu、Al、不銹鋼等金屬基底上的生長，嘗試降低生長溫度，增加襯底適用范圍；考察金屬襯底中的雜質元素在納米線中的擴散情況，發(fā)展相應的控制手段；通過對納米線形貌、結構、光電性能的系統(tǒng)表征，指導實驗優(yōu)化，提高陣列結構合成可控性。擬主要采取的手段包括：通過優(yōu)化電解液的組成與配比、電解電源的頻率與占空比以及電極的幾何形狀等，以提高硅納米結構合成的可控性；采用超聲波輔助的相轉移法進一步實現(xiàn)零維硅納米結構與少量副產(chǎn)品（大尺寸粒子）的分離，從而得到粒徑分布窄化的樣品，提高樣品純度；同時，系統(tǒng)考察對硅納米結構材料的最終形態(tài)、尺寸、表面組成、帶隙及缺陷等有重要影響的實驗因素，并試圖找到有效的控制合成方案；通過使用低純度硅、多晶硅片（錠）代替目前使用的單晶硅片，降低合成成本；擴大反應體系，優(yōu)化反應條件，提高零維硅納米結構的產(chǎn)率；對零維硅納米結構進行物理、化學、生物修飾，提高其發(fā)光效率，并使其兼具良好的水分散性、穩(wěn)定性與生物相容性。通過本項目的實施，培養(yǎng)和造就一支在半導體納米材料和應用研究領域具有國際影響力的科學研究隊伍，在硅納米結構及相關應用研究領域躋身于國際先進行列。④ 結合轉移矩陣法(TMM)和密度泛函方法(DFT)，建立硅納米線陣列光吸收的理論模擬，研究不同參數(shù)對其光吸收的影響，從而闡述硅納米線陣列光吸收的物理機制。研究殼層厚度和摻雜濃度對器件光伏性能的影響。主要包括：采用化學氣相沉積或物理、化學刻蝕等方法制備硅納米陣列結構，通過優(yōu)化實驗參數(shù)，改進技術工藝，提高合成可控性；通過使用ITO、金屬等廉價生長襯底，以及降低硅純度，使用多晶硅、非晶硅作為刻蝕硅襯底等方式，降低合成成本；結合表面納米壓印或大面積自組裝等技術，快速實現(xiàn)硅表面金屬催化劑圖案化，進而得到大面積納米線/孔陣列；通過將陣列的逐層剝離與轉移，并結合卷對卷（rolltoroll）等低成本工藝，實現(xiàn)硅納米線/孔陣列的高效、規(guī)?；苽?，并采用柔性轉移襯底，進一步降低合成成本，促進其在超輕、超薄、柔性光伏器件中的應用。我們將集中研究硅納米結構表面SiC鈍化、表面摻雜或核殼結構等技術，克服硅納米結構表面光生載流子快速復合的問題。在前期研究的基礎上，我們將著重探索適合的技術工藝和方法，降低合成成本，擴大合成規(guī)模，提高合成可控性。近期的研究還表明，表面/界面是影響納米材料性能的關鍵因素之一，深入的研究有必要重點圍繞表面/界面進行。隨著對腫瘤本質認識的不斷深入和篩選腫瘤標志物技術的不斷進步，越來越多的腫瘤標志物被報道。一維硅納米陣列結構光電性能調控：結合形貌、尺寸、結構和組分控制等調控手段，進一步通過控制硅納米材料表界面結構、表面鍵態(tài)、功能團，進行針對性的物理和化學修飾，如表面清潔、鈍化、摻雜，實現(xiàn)對硅納米結構光電性能的調控與利用；發(fā)展針對硅納米結構單體的表征技術，研究硅納米結構的尺寸、形貌、結構、摻雜、表界面等因素對其光電性能的影響，建立表界面與硅納米結構性能的關系；在總結實驗規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新的實驗現(xiàn)象的基礎上，進一步建立和完善核殼模型，為實現(xiàn)硅納米結構光電性能調控提供理論指導。(4) 硅納米結構的熒光標記應用基礎研究研究硅納米結構的表面修飾方法，在保留硅納米材料原有近紅外/上轉換發(fā)光特性的基礎上，對其表面進行必要的化學或生物修飾；建立溫和、有效的偶聯(lián)方式，在不影響生物分子活性和功能的情況下將硅納米結構與具有特異選擇或識別功能的生物分子連結起來，實現(xiàn)硅基生物熒光探針的構建；利用抗原/抗體免疫反應，將硅基生物熒光探針與特定腫瘤標志物進行高靈敏度、實時、長程靶向標記，實現(xiàn)在活體層次對腫瘤微轉移的早期檢測。(3) 通過理論模擬和計算，闡明形貌、尺寸、表面/界面結構對硅納米結構光學/光電性能的影響機制，建立經(jīng)過實驗檢驗的理