一维半导体纳米结构材料生长机制的研究

纳米光电子材料和器件在未来半导体工业的发展中具有重要的前景，如何生长和制备高效、可控、无缺陷的一维半导体纳米异质结构材料是纳米电子学研究中急需解决的关键科学问题。本项目从一维纳米材料的应变弛豫机制出发，研究材料的应变场、位错场以及位错芯的结构，基于二次规划等方法模拟材料的组分分布，建立适用于一维纳米结构材料的全能量平衡判据。本项目系统模拟III-V族一维纳米材料的临界尺寸，探讨临界尺寸与材料组成、材料失配、衬底尺寸、生长条件的内在联系，为材料的生长研究提供理论指导和支撑。通过本项目的实施，结合参数分析、理论建模、数值仿真以及实验制备等多种手段，实现一维半导体纳米异质结构材料生长理论的新突破。本项目预期研究成果，对于纳米电子学的研究进展，以及一维纳米材料在半导体工业中集成电路上的应用，都有重大的现实意义。

本项目从一维半导体纳米异质结构材料的生长机制出发，系统研究了三维纳米图形衬底应变弛豫的解析理论、纳米线组分优化的动力学理论、一维核壳纳米线的应变分布等，并以该方向为出发点，深入研究了一维纳米材料的电子结构、光学性质和磁学性质，以及相关半导体材料的热电性质，合计发表SCI检索论文23篇。针对三维纳米图形衬底异质结构模型，通过合理地分析应变分割效应和衬底尺寸效应，基于全能量平衡判据，研究了图形衬底纳米结构材料的应变弛豫机制及临界尺寸，计算三维的应变弛豫可以有效提高外延层的临界厚度以及提高衬底的侧向尺寸。在动力学的框架下，本项目建立了合金半导体纳米线生长的瞬态模型，通过求解含时的扩散方程，采用有限元方法，考虑ALE技术，发现纳米线合金轴向的组分分布来源于不同元素对纳米线生长速率的贡献。本项目系统讨论了纳米线存在/不存在表面吸附时的具体实验情况，研究表明：扩散长度大的元素会更多地出现在纳米线底部、反之会出现在纳米线的顶部。利用有限元方法，在热动力学的框架内，考虑核壳纳米线的应变弛豫，研究了异质结构模型的组分优化，通过对于核壳纳米线横截面应变能进行优化，可以确定其In组分的分布规律。从2013年开始，本项目基于密度泛函理论，陆续研究了GaAs、ZnO纳米线及其掺杂模型的电子结构、光学、磁学及热电性质等，丰富了本项目一维半导体材料物性的研究范围，为科研项目的外延研究作了良好的铺垫。