單晶二氧化鈦納米棒陣列(TiO2-NA)在光催化、光探測及新能源領域有著廣泛應用，而納米棒的直徑、長度及數(shù)量密度對其光電性能有重要的影響。研究團隊突破傳統(tǒng)納米結構調(diào)控方法的局限性，通過建立“宏觀工藝調(diào)控-微觀結構演化-器件性能優(yōu)化”的完整知識體系，揭示并解決了TiO2-NA的成核和取向生長機理、納米棒數(shù)量密度(ND)的精準調(diào)控技術原理以及ND調(diào)控的TiO2-NA基太陽電池中最大光電流產(chǎn)生的必要條件等基礎問題。重要的發(fā)現(xiàn)如下：
 

　　(1)通過調(diào)控前驅體薄膜的水解時間(tH)，實現(xiàn)了銳鈦礦TiO2薄膜中納米顆粒的可控生長；提出凝膠鏈限制結晶(GCLC)生長模型，其中，較長tH產(chǎn)生的較長凝膠鏈有利于較小納米顆粒的生成。該GCLC生長模型有望用于調(diào)控金屬氧化物薄膜的形貌及光電特性。
 

　　(2)為了在多晶銳鈦礦TiO2薄膜上生長金紅石單晶TiO2-NA，提出了取向-競爭-外延(OCE)成核/生長模型。首先，在水熱過程初始階段，發(fā)現(xiàn)銳鈦礦TiO2薄膜表面發(fā)生了原位銳鈦礦到金紅石(A-to-R)相變，使得銳鈦礦TiO2納米顆粒轉變成金紅石TiO2納米顆粒，為后續(xù)金紅石TiO2納米棒的生長提供了成核種子。其次，發(fā)現(xiàn)[101]取向的金紅石TiO2納米顆粒在單晶納米棒的生長中最具競爭力，進而促進[101]取向的金紅石單晶TiO2納米棒沿[001]方向的面外生長；周圍競爭性較弱和取向不利的金紅石TiO2納米顆粒和銳鈦礦型TiO2納米顆粒處的晶體成核及生長會被合并、抑制或禁止，從而產(chǎn)生納米棒之間的空隙。該OCE成核/生長模型可為多晶體表面的單晶生長提供指導。
 

　　(3)由于較大的銳鈦礦TiO2納米顆粒易發(fā)生原位A-to-R相變，TiO2-NA中ND可以通過tH得到有效調(diào)控。研究人員通過調(diào)控tH，結合一定的水熱反應條件，在不改變直徑和長度的情況下，實現(xiàn)了對TiO2-NA中的ND進行有效調(diào)控。進一步將ND調(diào)控的TiO2-NA用于構筑CuInS2太陽電池，提出了體積-面積-密度(VSD)多參數(shù)耦合模型，定量揭示了ND與光電流產(chǎn)生相關性的物理原理，首次在低溫條件制備了效率大于10%的CuInS2太陽電池，并創(chuàng)造了新的CuInS2太陽電池光電轉換效率記錄(10.44%)。該VSD多參數(shù)耦合模型為設計體型異質結結構光電器件提供了理論基礎。
 

　　固體所博士生曹文博、博士后董超為該論文共同第一作者，固體所王命泰研究員、陳沖研究員為該論文共同通訊作者。該工作主要得到了國家自然科學基金和中國科學院合肥物質院院長基金等項目的資助。
 

圖. 二氧化鈦納米棒陣列制備技術、生長原理及電池結構與載流子產(chǎn)生模型示意圖。