硫化镉纳米线的光电响应光谱范围扩展方法
如果将两种及以上半导体材料通过某种手段融合，就可能获得单一组份无法匹及的新颖特性。其中一个重要方面就是能带结构的变化，这决定材料的光电性能。常用的合金或外延生长法能在一定程度上满足不同半导体材料融合需要，但是无法在纳米尺度上保持理想的几何形貌和尺寸。离子交换反应（IER）能在转换材料成分的同时保留母体的结构，同时由于具有相对温和的反应条件、简便的操作程序，成为一种简单而高效的半导体复合结构制备手段。
硫化镉（CdS）纳米结构具有特殊的电子和光学性能及良好的化学稳定性和热稳定性，在多种光电器件，例如场发射、激光器、光电探测器和太阳能电池中有广泛的应用。硫化镉材料更被认为是一种理想的可见光敏感光电材料。但是，由于本征半导体不能吸收能量低于其带隙的光子，这极大地限制了硫化镉材料的光谱响应范围。因此希望通过制备多组分的半导体复合结构，从而获得更宽的响应光谱。在这些复合结构中，硫化铅和硫化镉两种单组分材料的带隙范围几乎覆盖了整个太阳光谱（从红外的硫化铅0.4 ~ 0.9 eV到可见光范围硫化镉2.5 eV），引起了研究者的极大兴趣，并在高效率太阳能电池中获得应用。因此，将硫化铅引入硫化镉可以显著提高本体材料的载流子传输和可见光吸收，两者近似的溶解度也从热力学上验证镉和铅在液体环境中可以进行离子交换。值得注意的是，由于铅和镉的离子半径差异，铅的引入必然导致硫化镉晶格畸变。理论计算预测，应变会显著影响能带结构，近期在一些块体合金和石墨烯中均证明晶格应变导致材料由直接带隙向间接带隙转变。但是，这种能带结构的变化在一维半导体材料中尚未实验应用。
基于以上问题，华中科技大学材料科学与工程学院翟天佑教授和合作者提出一种优化硫化镉光电探测性能的新途径。（点击红色高亮内容，可浏览该作者的“人物访谈”）研究人员通过离子交换制备硫化铅/硫化镉一维复合结构，实验表明铅离子交换反应始于硫化镉纳米线的表面，表面的铅通过离子扩散进入硫化镉纳米线本体。并且离子交换能较好地保留硫化镉纳米线的几何形貌和增加表面缺陷态密度，利用铅离子交换后的硫化镉纳米制作的光电探测器性能（响应度，光谱范围、外量子效率）相比离子交换前显著提高。更为重要的是，研究人员发现铅离子的进入导致原先硫化镉晶格膨胀，所产生的应变促进硫化镉纳米线由直接带隙过渡为间接带隙，并在理论上予以证明，正是这种带隙转变引起了硫化镉材料光谱响应范围的展宽至650 nm。该研究结果有助于进一步扩展硫化镉等一维材料在光电系统中的应用范围，相关研究工作发表在近期出版的Small（DOI: 10.1002/smll.201503044）。
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