纳米半导体材料是一种自然界中并不存在的人工制造新型半导体材料,随着材料维度的降低和结构特征尺度的减小,量子尺寸效应、量子干涉效应、量子隧穿效应、库伦阻塞效应以及非线性光学效应都表现得越来越明显,使得纳米半导体材料表现出独特的物理化学性质,如光/电催化特性、光电转换特性及电学特征等。利用这些特性,纳米半导体材料可用于制作环境污染物降解电极、单电子储存器件、量子激光器、能量存储与转换等,为科学技术及产业发展带来新的机遇。不同于以往纳米结构半导体的制备方法,本文基于高能惰性气体等离子体所具有的诱导晶体各向异性生长的作用、高能H2等离子体具有的均匀化晶体表面能的作用,采用直流电弧等离子体蒸发法,通过改变制备气氛中气体种类、比例,制得具有圆球形、纳米片、纳米带状形貌特征的Si纳米晶体,以及具有立方体、平截立方体、平截八面体形貌特征的TiC/C纳米晶体。通过建立反应气氛与产物组分、结构及形态的对应关系,研究了纳米结构半导体的气相合成规律及机理,为设计、制备及调控半导体纳米结构与物理化学性能提供了实验依据和理论分析。测试了 Si、SiC和TiC/C纳米晶体在光电响应、电化学反应和催化反应等能量转化体系中的性能体现,总结了直流电弧等离子体在这些纳米结构半导体的合成、形貌、相组成和相关性能的作用及影响规律。研究结果表明,直流电弧等离子体中的气氛种类及分压比率,可直接用于调控Si纳米结构的微观结构与形态。纯H2气氛中,制得的Si纳米结构呈球形颗粒状;H2和Ar混合气氛中则呈二维纳米片状;而H2和He混合气氛中则呈现纳米带状。直流电弧放电产生的高能H+离子具有均匀化Si晶种表面能作用,使Si原子在Si晶核的各晶面生长速率基本相等,即各向同性生长,最终长成球形纳米颗粒。加入惰性气体(Ar或He)后,在惰性气体原子诱导下,Si原子在某一维度上的生长受限制,从而倾向于各向异性生长,形成二维片状形貌。且不同原子量的惰性原子,其形成的纳米片尺寸不同。He还能促进二次生长,使小尺寸二维纳米片在其诱导下按照<112>晶向相互结合生长,最后形成带状结构。这三种形态Si纳米材料都具有核-壳型结构,Si为核,SiO)x为壳。SiOx壳层很薄,Si纳米片和纳米带上的SiOx壳层密度约为Si纳米粒子上SiOx壳层的3倍,片/带形态所具有的大比表面积决定其具有更大的表面活性。经测试计算,Si纳米粒子、纳米片和纳米带的直接带隙依次为2.89、2.92和3.02 eV,具有比块体Si材料更大的带隙。在液态有机电解质中,它们对紫外光的光响应电流依次为0.062、0.286和0.081 mAg-1,其中Si纳米片对紫外光的光电响应能力最强,说明小尺寸二维结构有利于提高Si的光电响应效率。在上述单质Si纳米结构的研究基础上,进一步研究了 Si-C二元体系纳米结构的制备与性能。在不同甲烷含量(0.005和0.01 MPa)气氛中,采用直流电弧等离子体法合成了不同相组成和形态的SiC纳米结构。在0.005 MPa甲烷中,制得含有3C-SiC、6H-SiC和Si/SiC的纳米复合颗粒;而在0.01 MPa甲烷中,制得含有3C-SiC和6H-SiC纳米颗粒。将两种样品分别用作催化剂,光电催化去除难降解的有机污染物2,4-二氯酚。SiO0.005MPa催化剂对2,4-二氯酚无明显光电去除效率,而SiC0.01MPa催化剂的光电催化去除效率为92.5%,具有很好的光电催化还原脱氯性能。这些结果表明,SiC纳米复合粉体的相组成、微观结构和形态对其光电催化效果影响较大。在Si-C二元体系研究的基础上,进一步拓展至Ti-C二元体系的制备和性能研究。通过调控反应气氛中氢气和氩气的应用,制得了形貌各异的核-壳型TiC/C纳米晶粒。在单一甲烷气氛中制得的TiC/C纳米晶粒(样品A)内核呈现多种形态,以自由生长方式为主;在保持甲烷含量不变的情况下,只添加惰性气体(Ar)后,制得的TiC/C纳米晶粒(样品B)呈立方体形,表面暴露晶面为单一的{100}晶面;而在保持甲烷含量不变的情况下,只添加活性气体H2后,TiC/C纳米晶体则呈平截立方八面体形(样品D),表面暴露晶面为{111}和{100}两种;同时添加Ar和H2后,TiC/C纳米晶粒(样品C)呈平截立方体形态。直流电弧放电产生的高能H+等离子体具有均匀化TiC晶核表面能的作用,因此在只添加氢气时,TiC晶种各晶面生长速率基本相等,致使最终生长晶体形貌保持晶核的形貌,即呈平截八面体形。只添加氩气时,H+等离子体来源于甲烷的分解,含量很少,其影响可以忽略,Ar+等离子体诱导TiC晶核的各向异性生长,使TiC晶体呈立方体形。在H+和Ar+等离子体共同作用下,TiC晶体形貌则介于立方体和平截八面体之间,呈现平截立方体结构。以上TiC/C纳米晶粒的碳壳层均为石墨层,存在大量晶格缺陷,将这些样品分别用作阴极催化剂,用于电催化还原2,4-二氯酚脱氯。研究结果表明,样品A-D分别在-1.17、-1.17、-1.12和-0.8 V下具有较好的电催化降解性能,电催化降解180 min后,效率依次为60%、66%、70%和73%。随着TiC(111)晶面相对比表面积的逐渐增大,TiC/C纳米催化剂对2,4-二氯酚的催化降解偏电势逐渐减小,而降解效率则逐渐增大。TiC(111)晶面可提高催化剂的催化活性。样品D电极重复催化降解操作四次后,其降解效率仍然保持在64%以上,表明说明C壳层对TiC核具有较好的保护作用,提高了 TiC核的稳定性。以上结果表明,TiC纳米晶体在电催化反应中体现出明显的催化活性,反映了晶体形貌对催化性能的影响和作用。