纳米工程优化 Si/BDD/TiO2异质结构界面，大幅提升光电化学性能

为解决传统光电极效率低、稳定性差等问题，研究人员开展了 Si/BDD/TiO2异质结构界面纳米工程研究。结果显示，该结构使光电流显著提升，还增强了稳定性。这对环境修复和可再生能源生产意义重大。

　　在当今社会，环境污染和能源危机日益严峻，光电化学（PEC）水分解技术作为一种可持续且高效的手段，在制氢和高级水处理领域备受关注。然而，传统光电极在实际应用中存在诸多问题。例如，二氧化钛（TiO₂）虽具有化学稳定性好、无毒等优点，但光生电子和空穴的快速复合限制了其光催化效率；硼掺杂金刚石（BDD）虽具备独特的半导体性能，可有效减少电荷复合，但自身作为光氧化剂的能力较弱。因此，如何提升光电极的性能，成为科研人员亟待解决的难题。

在这样的背景下，来自国外的研究人员针对 Si/BDD/TiO₂异质结构界面展开研究。他们致力于通过纳米工程优化该异质结构界面，期望能提升光电极的性能。研究成果发表在《Applied Surface Science Advances》上。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：首先，采用表面波等离子体系统（LA - MWCVD）在不同表面形态的硅基底上沉积纳米晶 BDD 薄膜，之后通过射频（RF）等离子体干蚀刻实现 BDD 的纳米结构化；接着，利用 RF 溅射法在 Si/BDD 基底上沉积 TiO₂薄膜，并通过退火使其结晶；最后，运用扫描电子显微镜、拉曼光谱、霍尔测量以及 2D 有限元法（FEM）等技术对样品进行表征和分析。

下面来看具体的研究结果：

• SEM 和拉曼光谱表征结果：扫描电子显微镜观察发现，纳米晶 BDD 层均匀沉积在不同硅基底上，经氧等离子体蚀刻后，BDD 层形成 “纳米尖端” 结构。TiO₂层沉积后，未结构化样品出现裂纹，而微结构化或分层结构化样品则无此现象，这表明微结构化能改善界面附着力，减轻热应力影响。拉曼光谱分析显示，不同结构样品的 TiO₂层存在锐钛矿和金红石相，且比例因表面形态而异，但光电极性能与 TiO₂的相变更无关，而是与结构类型有关。
• 光电化学测量结果：通过循环伏安法在紫外光照下对异质结构的光电化学性能进行评估。结果表明，结构化的 BDD/TiO₂异质结电极在光照下，电流密度从约 0.5 V（vs. RHE）开始急剧上升，阈值电位比未结构化电极降低了 0.2 V，这意味着结构化显著改善了 p - n 结异质结构界面的空穴注入和 / 或电荷分离。此外，结构化电极在整个阳极电位范围内都表现出更高的光电流，其中分层结构化样品的光电流最高。而且，纳米结构化界面在高电位下更能抵抗复合，延长了光电流衰减时间。
• 电学模拟结果：2D FEM 电学模拟结果显示，微纳尺度尖端结构附近的电场强度显著增加，分层结构化（HS）结构的电场强度最高。这使得通过异质结构的总电流密度显著提高，验证了测量结果，进一步说明更高效的电荷转移与界面区域的电场增强有关。

研究结论和讨论部分指出，该研究成功通过纳米工程优化 Si/BDD/TiO₂异质结构界面，使光电流密度相比传统 ITO/TiO₂电极提升了 6.5 倍，相比未结构化的 Si/BDD/TiO₂电极提升了 4.6 倍。这一提升得益于界面处微纳尺度尖端结构的场增强效应，它促进了电荷转移，实现了更好的电荷分离和注入，使光电流起始更早、密度更高，且在高电位下光电流衰减更慢。同时，硅基底的微结构化增加了表面积，增强了光吸收和光载流子收集。此外，该研究还证实了 BDD/TiO₂异质结对提升空穴注入的作用，分层结构化电极展现出优异的光电流密度，在水处理和制氢领域极具竞争力。而且，分层结构中的微结构部分极大地改善了 TiO₂与 BDD 层的附着力，提高了光电极的稳定性和可靠性。

综上所述，这项研究成果为环境修复和可再生能源生产提供了新的方向和方法，也为其他相关领域在纳米尺度优化材料界面、提升性能方面提供了重要参考，推动了相关领域的发展。