垂直InAs和InSb纳米线阵列的可控生长及应用特性研究

Nanowire and its heterostructure materials is an important basis for developing high performance nano optoelectronic devices. InAs and InSb, as two kinds of high mobility, easy to form ohm contact and narrow band gap semiconductor material, have attracted much attention. This project will focus on the heteroepitaxial growth of vertical InAs nanowires and InSb nanowire array under the large lattice mismatch silicon substrate by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD) technique. The study of controllable growth method of InAs nanowires which can be compatible with contemporary CMOS process, will be carried out to elucidate nanowire growth mechanism and explore the development of new types of optoelectronic devices, gas sensing devices as well. We propose an effective way in controlling InAs nanowires array morphology, size and crystal structure by regulating related process parameters, and reveal the function of catalyst and catalyst-free physical mechanism in InAs nanowires growth. At the same time, the applied properties of obtained devices will be systematically investigated in our proposal, such as the photovoltaic characteristics of heterojunctions formed at the interface between the n-type InAs nanowires and the p-type Si substrate, the gas sensing ability of vertical InAs and InSb nanowire array, etc. As a result, we can try to build up the correlation between device performance and structure parameter, which is of significance for device design and application.

纳米线及异质结材料是研制高性能纳米光电子器件的重要基础，InAs和InSb作为两种高迁移率、易形成欧姆接触和窄带隙半导体材料备受关注。本项目拟利用金属有机化学气相沉积(MOCVD）技术，在大晶格失配Si衬底上垂直生长InAs和InSb纳米线阵列，探索InAs及InSb纳米线阵列的可控生长方法、揭示影响其生长的物理机制、开展其在光电子器件方面的应用研究。即通过调控相关工艺参数，获得高品质，形貌、尺寸和结构可控的InAs和InSb纳米线阵列，揭示催化和无催化在纳米线生长过程中的物理机制，以及衬底取向、材料组分对纳米线形成、形貌、晶体结构等方面的影响。对InAs和InSb纳米线阵列的气体探测特性，利用n型InAs纳米线和p型Si衬底形成异质结所构筑的光电探测器的光响应特性等进行应用研究，建立器件性能与结构参数的关系，为提高器件的性能提供重要科学依据。

半导体纳米线凭借其优越、独特的物理性质，在电子、光电子和光伏方面有重要潜在应用价值。半导体纳米线及其构建的新型多样的异质结构，由于在新一代集成电路的构建和新型光电、传感、场发射、能源等器件的开发研制中具有极大的应用价值。. 在原来研究的基础上，我们用MOCVD在Si（111）衬底上生长了InAs纳米线阵列，研究了生长温度对InAs纳米线阵列形貌的影响，并揭示了在Si衬底上InAs自催化纳米线的生长机制，用不同的偏振光照射得到不同的Raman特征；我们研究了在Si（111）衬底上InAs诱导生长InSb合金纳米线阵列的生长及自催化机制。为了精确控制纳米线的位置，在Si（111）表面沉积上一层SiO2，然后用电子束曝光制备纳米孔来精确控制InAs纳米线生长的位置。采用低成本CVD方法生长了无机金属卤化物钙钛矿纳米线阵列，并研究了光在纳米线的传导和放大自发发射特征；研究了水热法制备立方钙钛矿微晶的激射行为；研究了n-ZnO/p-SnS核壳纳米线阵列柔性太阳能电池的压电增强效应。用压电极化电荷可以增加光生载流子的分离、传输和复合，通过弯曲器件，通过压电效应能够提高电池效率到37.3%。研究基于Au-SiO2-CdS（MIS）结构的CdS@SiO2核壳结构纳米棒阵列的电致发光，该MIS LED在低阈值电压（2.7V）有很强的黄色发光，发光峰宽度从450纳米到800纳米；制备简单，低成本，可以运用柔性衬底，作为柔性光源，为以后制备高分辨率、低成本，高稳定性LED器件打开一种新思路。我们运用电纺丝和溅射方法制备了柔性透明ITO/CuS纳米网状结构复合导电薄膜，应用于柔性染料太阳能电池中转换效率达到6%。用Bi4Ti3O12纳米纤维和石墨烯复合材料来提高染料敏化电池的效率，BTO/Gr(含2.5%Gr)染料敏化电池在模拟太阳的照射下转换效率达到9.70%。在半导体电子转移机制方面，还从体相到单分子水平用单分子时间分辨荧光显微镜探测了用Ag3PO4纳米颗粒降解罗丹明RhB的不均匀性及中间产物，发现罗丹明降解之前有从罗丹明到Ag3PO4导带的电子转移过程。