近日，中國科學院國家納米科學中心研究員宮建茹與南京航空航天大學教授宣益民、中科院高能物理研究所研究員張靜合作，在原子尺度調節 (Ga_1-xZ_nx)(N_1-xO_x) 固溶體納米線能帶結構研究方面取得新進展，1月21日，相關研究成果以Atomic arrangement matters: band-gap variation in composition-tunable (Ga_1-xZ_nx)(N_1-xO_x) nanowires為題，在線發表在Matter上。

　　(Ga_1-xZ_nx)(N_1-xO_x)固溶體由日本東京大學教授Domen課題組首次發現，迄今仍是可見光下效率最高的光催化純水分解催化劑之一。然而，由于原子尺度下組成元素的排布規律并不明確，該材料禁帶結構隨其組分變化的規律以及內在機理尚不明確。

　　為解決上述問題，研究團隊精心設計出一種獨特的化學氣相沉積工藝，以商業化試劑作為前驅體，制得化學組分連續可調的單晶 (Ga_1-xZ_nx)(N_1-xO_x) 納米線。該工藝將 (Ga_1-xZ_nx)(N_1-xO_x) 制備時間縮短至1小時以內，相比傳統高溫氮化方法需要數天反應時間，效率明顯提高。

　　借助同步輻射X射線精細結構分析，研究人員對納米線的原子排布規律進行了深入研究，結合第一性原理計算模擬，揭示了納米線X射線近邊吸收譜的細微變化與其內部原子排列規律有直接關聯，并證實了 (Ga_1-xZ_nx)(N_1-xO_x) 固溶體中價態匹配的Ga-N和Zn-O原子存在團簇化趨勢，即短程有序。

　　基于上述發現，研究人員提出短程有序原子排布導致納米線內部Ga-N或Zn-O原子團簇與ZnO或GaN主體材料形成大量晶內異質結，晶內異質結的II型能帶排列進一步決定了 (Ga_1-xZ_nx)(N_1-xO_x) 固溶體的能帶結構，導致其帶隙隨ZnO含量增加持續減小。

　　該研究解決了 (Ga_1-xZ_nx)(N_1-xO_x) 體系中長期困擾科研工作者的關鍵難題，并顯示出原子排列調控在調節多元固溶體半導體能帶結構方面的巨大潛力，為新型高效光催化材料的設計開發提供了新的思路。研究工作得到中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家自然科學基金委員會基礎科學中心項目和國家重點研發計劃重點專項等的資助。

　　微觀原子排列調控固溶體半導體能帶結構