掺杂是改善半导体纳米材料物性的重要技术手段,实现对半导体纳米材料的可控掺杂依然是此领域的重要挑战,掺杂杂质前驱体的选择和半导体纳米晶的成核与生长调控是其中的关键。液相激光熔蚀技术(Laser Ablation in Liquids, LAL)由于其独有的热力学(远离平衡或高度非平衡)和动力学(快速淬灭或瞬态过程)特征,可以制备出各种亚稳态纳米材料的胶体溶液,这些亚稳态纳米材料一般具有很高的化学活性、尺寸分布均匀、表面“洁净”,没有包覆任何保护剂或稳定剂、能相对稳定地分散在液相介质中不聚集或沉降。此类胶体溶液作为适合的半导体掺杂杂质前驱体,有望实现原子尺度上的可控掺杂,为半导体纳米材料的物性调控与新型功能纳米材料的开拓提供新的研究思路。本论文首先研究了LAL制备的亚稳态纳米材料的生长、相变和独特物性；然后利用这些亚稳态纳米材料的胶体溶液为掺杂前驱体,建立新型的半导体纳米材料掺杂策略,以氧化铁(α-Fe2O3)为目标半导体,在水热环境中完成对a-Fe203纳米材料的可控掺杂,并研究了掺杂对α-Fe2O3纳米材料物性的影响规律。论文的具体研究工作和创新成果如下：1)高活性Ge纳米颗粒的自发生长与化学还原能力研究利用LAL技术,获得了高活性的亚稳态Ge纳米颗粒。将分散在去离子水中的Ge纳米颗粒放置于室温密封的暗室中,随着时间的推移,发现Ge纳米颗粒会从最初的非晶态自发生长,逐渐形成亚稳态的四方相,最终转化为稳定的立方相。Ge纳米颗粒的自发生长与相变的过程为亚稳体系中的Ostwald相变理论(Ostwald’s rule of stages)研究提供了直接的实验证据。通过对有机分子或重金属离子的快速去除反应,证实了此种Ge纳米颗粒具有尺寸依赖的强给电子能力。2)基于LAL技术α-Fe2O3纳米晶掺杂研究以LAL技术获得的亚稳态纳米材料胶体溶液作为掺杂杂质前驱体,结合水热反应,建立了一种新型的半导体纳米材料掺杂策略；成功实现了Ge,Si,Mn, Sn,Ti等杂质原子对α-Fe2O3纳米晶的可控掺杂与结构纳米化；精细表征发现杂质原子分别以有序超晶格结构(Ge,Si)或者无序固溶体状态(Mn,Sn,Ti)均匀分布于α-Fe2O3晶格之中,而且胶体溶液的种类与浓度决定了α-Fe2O3纳米晶最终的形貌,结构以及掺杂量；测试和分析了不同杂质原子掺杂对α-Fe2O3纳米晶能带结构的影响,提炼了α-Fe2O3纳米晶可能的生长与掺杂机制。3)Ge掺杂α-Fe2O3纳米晶的可控合成、表征及应用研究掺杂和结构纳米化是调节α-Fe2O3纳米晶光电化学性能的关键技术手段。利用我们上述提出的基于LAL技术的掺杂策略,获得了不同掺杂浓度和微观结构的Ge掺杂α-Fe2O3纳米晶。通过调节Ge胶体溶液的浓度,有效调控了Ge的掺杂浓度、α-Fe2O3的形貌和晶体结构：当Ge的掺杂浓度为2at.%(原子百分比,下同)时,α-Fe2O3纳米晶为超薄的纳米圆片,其中Ge随机取代Fe的位置形成无序固溶体的掺杂结构：而当掺杂浓度增至5at.%时,α-Fe2O3纳米晶由数个较厚的六方纳米片组装而成,且Ge有序地分布在晶格中并形成超晶格结构。Ge的掺杂使得α-Fe2O3纳米晶禁带宽度变窄,并显著提高了其光电流密度,改善了其光电化学性能。4)Ge掺杂α-Fe2O3纳米阵列结构的构筑与物性研究构筑α-Fe2O3纳米材料的阵列结构,并同时进行掺杂和结构纳米化处理有利于进一步提高α-Fe2O3纳米材料的光电化学性能并拓宽其应用前景。采用LAL技术与水热法相结合的思路,以β-FeOOH纳米棒阵列结构为模板,利用LAL技术提供杂质原子Ge的反应前驱体,经过水热反应,成功构筑了Ge掺杂的α-Fe2O3纳米片阵列结构；通过对Ge掺杂α-Fe2O3纳米片阵列结构的物相、组分和形貌的表征和分析,发现通过改变Ge胶体溶液的浓度,可以调控α-Fe2O3纳米片阵列的掺杂浓度并诱导其沿[110]晶向进行取向生长;光电流密度的测试结果揭示具有更高掺杂浓度和生长取向性的Ge掺杂α-Fe2O3纳米片阵列结构展现出更为优越的光电化学性能,充分证实了掺杂和结构纳米化能够显著提升α-Fe2O3的光电化学性能。