多元半导体纳米结构中组分分布及其物性调制研究

Alloy semiconductor nanostructures are promising building blocks for novel micro/nano devices which have great potentials in future electronics, photonics, and bio-sensing. In alloy nanostructures, the physical properties are strongly affected or determined by the local composition of competing elements/components, providing a new degree of freedom for material and device design. This project centers on the composition profile and its impact on physical properties in alloy semiconductor nanostructures, including self-assembled quantum dots, free-standing nanowires and 2D layered material. We mainly focus on below contents: 1) deepening the understanding of the formation mechanism of spontaneous non-uniform composition profile in alloy semiconductor quantum dots and nanowires, and building the comprehensive theoretic growth models respectively; 2) Predicting the structural stability of novel silicene, germanene and their 2D quantum dot structures, and the impact of composition on electronic structure; 3) Considering coupling of multiple physics fields, we will examine the modulations of composition profile in quantum dots and nanowires on mechanical, electronic and optical properties. Moreover, the alloy semiconductor quantum dots and nanowires will be fabricated by pulsed laser deposition. The project will provide the underlying physics for high-quality nanostructure fabrication and material design.

多元半导体纳米结构作为新型微纳器件的基础构件，在纳米电子学、量子信息、生命科学等方面具有极其重要的应用前景和发展空间。多元半导体纳米结构中，元素组分是决定其物理特性的重要因素，并为材料和器件设计提供了一个新的自由度。本项目将围绕多元半导体纳米结构的组分分布及其物性调制机理展开, 研究对象涵括了半导体量子点、纳米线和二维层状材料等纳米领域的热点体系。重点研究、阐释多元半导体量子点和纳米线生长过程中自发形成非均匀组分的物理机制，建立完善的理论模型; 预测新型硅烯、锗烯、层状量子点及多元素情况下的稳定结构及其光电特性; 考虑多物理场耦合，揭示组分分布对量子点和纳米线力学性质、电子结构、光学性质的调制机理。采用脉冲激光沉积系统制备多元半导体量子点和纳米线结构。本项目的顺利实施将为设计、制备高质量多元半导体纳米结构提供重要理论支撑。

多元半导体纳米结构中的组分及其分布决定了材料的物理特性，为物性调制和新型器件设计提供了一个新的自由度。项目执行期间，项目组围绕半导体纳米结构的生长机制，多元合金内部组分分布形成机制，组分对纳米结构力学、电学及光学等物性调节机理及其潜在应用展开，研究对象包括自组织纳米岛，纳米线异质结构，和二维层状材料。主要研究工作包括：1）建立了多尺度二维材料生长模型，描述了尺寸衍化过程并预测了纵向双层生长和面内单层生长的必要条件。模型首次阐释了二维材料生长中的热力学和动力学机制。2）系统性定量研究了锗硅、III族氮化物和III族铋化物二维材料结构和电子特性随组分的变化趋势及点缺陷对电子结构的影响。3）建立了可用于有限元仿真的具有复杂晶面体系的纳米岛模型，实现了高效平衡组分分布计算，并研究了Si(001)和GaAs(001)刻蚀表面上生长的纳米岛的组分分布、应变弛豫和电子结构。4）模拟了纳米线异质结构生长自发形成的组分分布，并基于晶格动力学理论，建立了组分分布、应变分布与拉曼频移之间的联系，从理论上计算了纳米线拉曼光谱。5）在约2μm *200nm的硅波导区域引入GeSi合金，将此区域折射率提高0.3，并结合半椭圆金属银表面等离子体激元分束器，提出了一种功能区域长度仅为4μm的互易全光二极管新方案。6）基于量子点-双模微腔耦合体系，理论上提出一种工作在低光子层次的OR和XOR全光逻辑器件。将此耦合系统串联，设计了基于光子偏振态的AND和OR全光逻辑器件。另外，基于耦合双量子点-单模腔系统，在弱耦合区域实现了光子亚泊松分布。本项目的研究成果为高质量纳米结构制备提供了理论依据和指导，揭示了组分对纳米结构的物性调制，拓展了其在微纳器件中的应用。