半导体纳米材料修饰电极及其应用进展

半导体纳米材料修饰电极及其应用进展摘要：由于具有较大的比表面积、出色的催化效率、独特的物理化学属性以及尺寸较小的优势，半导体纳米材料已经迅速发展，并被广泛应用于各种电子仪器的制备。

本文将对这些具有优异性能的半导体纳米材料进行深入探讨，并给出一些有效的实验结果。

关键词：半导体；纳米材料；修饰电极
1 半导体纳米科学与半导体纳米材料
通过利用现代科学技术，半导体纳米科学技术可以大幅度改变我们对于自然界的认知，从而实现从微小的元素到复杂的系统的转变。

这一科技不仅可以利用混沌理论、量子流体力学、介观物理学、分子生物学，还可以利用计算机科学、现代微电子工艺技术、扫描隧道显微镜技术、核技术，从而实现对自然界的深入研究，并且还可能带来一系列全新的科技，比如电子学、材料学、机械学等。

随着21世纪的到来，半导体纳米科学已经成为一种前所未有的先进科技。

2 半导体纳米材料修饰电极
2.1 半导体纳米材料修饰电极的特性
（1）在半导体纳米颗粒的尺寸越来越细的情况下，其表面的原子数量会呈现出一种显著的递减趋势，从10 nm开始，这种趋势会显著提升，直至超过1 nm，这样，表面的原子就会占据绝对的优势，使得整个颗粒的结构和功能都发生了显著的改善。

随着半导体纳米颗粒的尺寸变大，表层的原子间的配位比例减少，以及较大的表面张力，使得这类颗粒更容易形成键，从而形成更加牢固的键，从而提升了其化学反应的效率。

（2）由于半导体纳米粒子的尺寸非常微小，它们只拥有非凡的原子量，使得它们的行为和结构与一般的块状物质大相径庭，从而产生了一系列独特的现象，即体积效应。

久保理论被认为是一个具有里程碑意义的研究，它探讨了金属半导体纳米颗粒在费米表面上的电子能量分布情况。

（3）量子尺寸效应当半导体纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且半导体纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为量子尺寸效应。

2.2 半导体纳米材料修饰电极的表征方法
（1）SEM（扫描电镜）技术通过电子探针对样本进行扫描，从而获得样本的图像。

这种技术的制造基于电子与样本之间的相互作用。

当一束高能电流射向样本时，会产生二次电流、俄歇电流、特征x射线、连续谱X射线、背散射电流、透射电流，见图1。

并且会产生可见紫外、红外等波段的电磁辐射。

通过研究电子与物质之间的交互，我们不仅能够探索出它们之间的关系，还能够发现它们之间的共存关系，从而更好地了解它们的特征，比如它们的外观、组分、晶粒状态、电荷分布、内在的电场、磁场等。

图1当一束高能电流射向样本
（2）通过循环伏安法（CV），可以通过调节电极的电势，在一定的频率下，通过多次的三角波动来实现，从而实现在一定的频段内，可以观察到电极表面的还原与氧化反应，从而获得一条完整的-电势曲线。

通过分析曲线的形态，我们可以评估反应的可逆性，探究反应的过渡阶段，比较不同的化学物质之间的交互作用，从而更好地掌握反应的过渡条件，进而更好地预测反应的结果。

（3）通过使用EIS技术，我们能够通过观察微弱的交流电压和电流来研究电极的特性。

这种技术能够帮助我们更好地理解和预测物质的性质，并且能够帮助我们更准确地估算物质的性能。

通过绘制一条由虚拟和真实两个极端的阻抗值组成的电化学阻抗谱，我们就能够清楚地看到它们在不同的频率下的变化情况。

2.3 半导体纳米材料修饰电极的类型
2.3.1 碳半导体纳米材料修饰电极
90年代早期，Ichihashi[1]和其他研究者们发明出一类具有极大尺寸的一维管状分子，其中包括数十个、纵横比介于100~1000之间的碳半导体纳米管，从而打破传统的研
表1。

碳半导体纳米材料修饰电极的特点
2.3.2 半导体纳米TiO2薄膜修饰电极
1991年，Gratzel和其他研究人员利用半导体纳米晶TIO2的多孔结构[3]，开发出了一款具有高效率和低成本的半导体纳米薄膜染料敏化太阳电池，它采用Ru联合物和I2/i3-氧化还原电解质，可实现1sun（AM1.5:100mW·cm-2）的高效率和低成本的特性，引起了全球的瞩目。

在一天的最佳照明环境下，我们获得的光电量子效率接近100%，而且还有7.1%的光电转化效果，随后，我们进一步把这一数值提升至10%~11%，甚至与传统的硅基太阳能电池相当。

见图2。

因此，这一发现激发了全球科技领域的巨大热情。

图2。

在最佳照明环境下。

2.3.3 半导体纳米金修饰电极
随着科技的发展，半导体纳米微粒因其出色的物理、化学特征而受到越来越多的关注，它不仅被广泛地运用于各种科技，如物理、化学、生物、光学、电子、电磁、药物、临床医学，而且还表现出它的独特的光学行为。

随着科学的发展，越来越多的研究领域，例如等离子体共振吸收、表面共振技术、表面增强拉曼散射以及共振光散射，都引起了广泛的关注。

它们的出现，为我们更好地理解半导体纳米颗粒的特殊光学特性，提供更加精准的表征方式，以及更加广泛的实际应用提供了可能。

金属半导体颗粒对于深入探索其功能和性能具有至关重要的作用，并且已经成为了一种广泛的技术手段。

除了拥有优异的生物相容性，半导体纳米金还能够保护和抑制细胞内的酶和蛋白质的功能，从而使其能够被用来进行生物学指示和蛋白质浓度的测量，从而为神经递质的功能检查奠定坚实的基础。

尽管近年来，关于半导体纳米金溶胶的R&D取得了长足的进展，然而，其昂贵的制备费用仍然阻碍其广泛的使用。

3 通过使用半导体纳米材料来修饰电极，我们可以在电分析和化学领域取得进展。

3.1 组装电极材料
近年来，利用金属、金属氧化物以及非金属氧化物制备的半导体纳米电极，不仅可以有效地改善电化学和电分析化学的效率，而且还具有优异的表面吸附、分子识别、电催化、表面反应以及其他多项功能，为电化学、电分析化学的发展提供了重要的支持。

3.2 通过检查人类大脑中的神经递质、氨基酸以及代谢产物，我们可以确定血清尿酸水平。

郝春香等人利用碳半导体纳米管修饰电极，研究了多巴和抗坏血酸在生物体内的浓度，结果表明，多巴的检出限分别为1.190×10-4mol/L和5.196×10-4mol/L，这一发现为深入了解多巴在生命过程中的作用提供了重要的线索。

氨基酸是构成生物体的基石，它们能够帮助我们更好地理解蛋白质与金属之间的微妙关系。

例如，通过使用化学方法，如化学原子吸收光谱、循环伏安法，我们发现甘氨酸能够被半导体纳米金膜电极吸附并进行电化学解离。

这些发现有助于我们更好地理解蛋白质与金属之间的微妙关系。

3.3 生物活性分子的检测
碳薄膜电极具备卓越的催化效果，能够快速、准确地将H2O2转化为谷氨酸酯，并且具备极强的电化学检测能力，能够准确地检测到乙酰胆碱及其他胆碱物质。

因此，它被广泛应用于液相色谱分析中，以提供准确、快速、精确的检测结果。

使用镍半导体纳米颗粒/
碳薄层作为HPLC电化学检测器，可以显著改善对葡萄糖、果糖、蔗糖和乳糖的检测精确性。

见图3。

图3。

HPLC电化学检测器的转换。

4结语
半导体纳米材料的两个主要特点就是其独特的晶界，这种晶界的存在使得其内部的原子排列发生了巨大的变化，从而使得其具备了更多的功能，从而影响到其物理、化学、机械、热等多个方面，从而影响到其物质的行为。

与传统的金属、陶瓷以及其它固态物质类似，半导体纳米相材料也具有类似的基本特性，但它们的形态却有所差异。

每个3 nm的半导体纳米相中，有900个以上的原子，占据英文中每个字母的百万分之一，就像一艘300米多的船与全世界的距离。

由于半导体纳米材料的尺寸极小，界面的占比极高，使得它们具备多种独特的性能，从而使得它们的结构与传统的宏观材料体系形成了鲜明的对比。