[发明专利]一种过渡金属掺杂的In

说明书

本发明公开了一种过渡金属掺杂的In_xGa_1‑xN纳米柱及其制备方法与应用。该过渡金属掺杂的In_xGa_1‑xN纳米柱包括衬底和生长在衬底上掺杂有过渡金属的In_xGa_1‑xN纳米柱，其中0≤x≤1。本发明采用一种成本低、工艺简单的方法制备高晶体质量的In_xGa_1‑xN纳米柱。在In_xGa_1‑xN纳米柱生长过程中直接进行原位体掺杂，无二次结构设计工艺，降低了因构造异质结等复杂结构所需要的工艺成本，简化了工艺步骤。其次，通过过渡金属掺杂，实现对In组分并入可控，有效提高晶体质量；同时过渡金属引入更深能级，实现对材料电子结构的调控，提高In_xGa_1‑xN纳米柱水分解氧化反应动力学，适用于光电解水产氧。

技术领域

本发明涉及In_xGa_1-xN纳米柱领域，具体涉及一种过渡金属掺杂的In_xGa_1-xN纳米柱及其制备方法与应用。

背景技术

能源短缺与环境污染正制约着社会发展、危害人类健康。光电化学（PEC）技术是解决以上问题最有前景的方法之一。其中PEC分解水是实现氢能可持续发展的有效途径。由于氧化反应动力学相对还原反应动力学迟缓，因此，发展高效光阳极材料是科研工作者的主要研究目标。三元化合物半导体In_xGa_1-xN纳米柱在PEC分解水中具有重要的应用前景，主要由于In_xGa_1-xN带隙从0.68 eV到3.4 eV可调，可实现宽光谱范围内的光解水；另外In_xGa_1-xN电子迁移率大，导电性强，能有效降低光解水的成本；其次，In_xGa_1-xN纳米柱自身比表面积大，能增强光吸收，能提供更多的反应活性位点。然而In_xGa_1-xN纳米柱在生长过程会引入较大密度的缺陷，这些缺陷会俘获光生载流子，使得光解水效率大大降低。另一方面，In_xGa_1-xN氧化电位相对较低，实现水氧化需要相对较高的起始电位。目前，大多研究主要局限在通过构建异质结或生长量子阱来提高载流子的转移效率[Y.N. Hou, Engineering hotelectrons of localized surface plasmon on InGaN photoanode for solar-poweredwater splitting, J. Photon. Energy 9 (2019) 026001.][ K. Ohkawa, Y. Uetake,M. Velazquez-Rizo, D. Iida, Photoelectrochemical hydrogen generation usinggraded In-content InGaN photoelectrode structures, Nano Energy 59 (2019) 569-573.]，而In_xGa_1-xN材料本身载流子易复合与较低的氧化动力学尚未得到解决；于此同时，以上工艺较复杂，造成制备成本的提高。因此寻找一种工艺简单、能同时提高材料晶体质量和增强氧化动力学的方法，对于实现In_xGa_1-xN纳米柱高效产氧意义重大。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明采用一种成本低、工艺简单的过渡金属掺杂技术。在In_xGa_1-xN纳米柱生长过程中直接进行体掺杂，无二次结构设计工艺，降低了因构造异质结等复杂结构所需要的工艺成本，简化了工艺步骤。