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Ⅲ-Ⅴ族窄带隙半导体纳米线及纳米线异质结的生长与物性研究

石遂兴  
【摘要】:III-V族窄带隙半导体纳米线具有禁带宽度小、载流子迁移率高、电子有效质量小等优点,不但能够用于基础物理现象如Majorana费米子探测方面的研究,而且在未来的纳米级光电器件、红外探测、气体传感、自旋电子学等领域都有着良好的应用前景。基于上述原因,III-V族窄带隙纳米线成为了近些年来的研究热点之一。在本论文中,我们通过分子束外延生长并在Au催化剂辅助下进行了III-V族窄带隙纳米线的制备工作,并通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线能量分散谱仪等对所得纳米线的形貌、结构、组分进行了详细的表征与分析,同时也对所得纳米线进行Raman散射和电学特性的初步研究。我们研究了生长温度变化对In As纳米线形貌和晶体结构的影响,确定了适合In As纳米线生长的温度区间,并获得了形貌均匀的、不含缺陷的高质量纤锌矿(WZ)结构In As纳米线。同时我们也探索了衬底取向变化对In As纳米线生长的影响,不管衬底取向如何变化,沿111B方向的In As纳米线生长始终居于主导地位。Raman散射谱证实了样品整体上的均匀性和WZ结构,而In As纳米线场效应晶体管的高开关比则说明了纳米线良好的电学特性。通过在In As纳米线生长过程中引入Bi气氛,我们对In As纳米线的晶体结构进行了成功的调控。Bi气氛的引入可以使In As纳米线由WZ结构转变为闪锌矿(ZB)结构,而当Bi气氛供给中止后,In As纳米线会通过一个结构渐变过程再次返回到WZ结构。不过随着Bi气氛的逐渐增大,ZB结构在In As纳米线中所占的比重越来越大,最终我们获得了纯ZB结构的In As纳米线。Bi气氛对In As纳米线进行晶体结构调控的物理机制在于,Bi元素具有很强的表面活性剂效应,它能够有效地改变In原子在衬底表面的扩散行为,从而影响到纳米线的晶体结构。我们通过顺序化气—液—固(VLS)生长法成功地制备出了In As/In As Bi异质“纳米树”结构。In As纳米“树干”是在Au催化的VLS机制下进行的,而In As Bi纳米“树枝”的生长则是基于Bi催化的VLS机制。在In As纳米线生长过程中我们通入非常高的Bi气氛,在已有纳米线侧面形成的Bi液滴然后通过VLS机制诱导In As Bi纳米线在已有In As纳米线侧面上的生长。在这项研究工作中,我们发现Bi元素能够同时发挥掺杂剂和催化剂的作用。我们同时进行了In As/In Sb异质纳米线的分子束外延生长工作,发现随着生长温度和V/III束流比的改变,In Sb纳米线的生长模式也在VLS机制主导的轴向生长和遵循气—固生长机制(VS)的横向生长之间转变,这帮助我们同时获得了In As/In Sb轴向异质纳米线和In As/In Sb核—壳结构纳米线。在轴向异质纳米线中,In As和In Sb分别形成了不含缺陷的WZ和ZB结构,且WZ In As-ZB In Sb异质界面非常陡峭,结构转变在一两个原子层的厚度内便已完成,这说明我们成功地获得了高质量的In As/In Sb轴向异质纳米线结构。最后我们进行了Ga As/Ga Sb异质纳米线的分子束外延生长并讨论了其生长机理。研究发现,Ga Sb纳米线的生长温度区间非常窄,并且在我们所研究的V/III束流比范围内Ga Sb总是倾向于在Ga As纳米线侧面上进行横向生长,使我们最终获得了Ga As/Ga Sb核—壳结构纳米线。同时Ga As/Ga Sb纳米线的头部还常常会形成纯Ga Sb纳米盘。透射电子显微镜分析表明,Ga As/Ga Sb纳米线为WZ结构,但含有较多的面缺陷,而Ga Sb纳米盘则为纯ZB结构。需要指出的是,这也是WZ结构Ga Sb纳米线和Ga As/Ga Sb核—壳结构的首次报道。鉴于核—壳结构纳米线的独特优势,该成果将有助于推动III-V族窄带隙核—壳结构纳米线研究的进一步发展。


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