砷化镓纳米线中界面电荷调控及结构性能关系的原子级电子显微学研究

Study of GaAs nanowires and related optoelectronic devices is attracting more and more attentions nowadays. It is reported that the introduction of interfaces of varied crystal structures or elemental distributions would lead to novel optoelectronic properties which could not be explained by traditional mechanisms, lacking direct experimental proof at nanometer scale. In this project, we would like to focus on GaAs nanowires with typical embedded interfaces (axial or radial PN homojunctions, axial or radial heterojunctions, periodic polytypic or twinning interfaces). The high resolution transmission electron microscopy and scanning transmission electron microscopy would be applied to characterize the crystal structures and chemical distributions of the interfaces at atomic resolution. The off-axis electron holography would be utilized to quantitatively determine the electrostatic potential, electrostatic fields and charge distributions at the interface, which would lead to the discovery of the structure-property relationship. Moreover, the measurement of carrier movements within single GaAs nanowire at the proximity of the embedded interfaces, and the related electric potential, electric field and charge distributions would help to understand the GaAs nanowire devices at working conditions, which is significant for improving the performance of actual devices.

砷化镓（GaAs）纳米线的可控合成与器件研究近年来受到越来越多的关注，在GaAs纳米线中引入特定成分或结构的界面会产生各种奇异光电性能，而其中微观机制尚欠缺，鲜有纳米尺度的直接实验证据进行佐证。本项目拟将GaAs纳米线中各种界面类型（轴向和径向PN型同质结、轴向和径向异质结以及周期性多型体或孪晶界面）作为研究对象，以像差校正高分辨像及扫描透射电子显微像对界面原子尺度结构和成分的精确表征为基础，以离轴电子全息技术对界面电势、电场及电荷分布的定量表征为重点，获取纳米尺度界面结构与电学行为的关联；同时在透射电子显微镜中对单根GaAs纳米线及其界面进行工作状态下的载流子输运特性与电势、电场及电荷分布相关研究，为深入理解工作状态下GaAs纳米线光电器件的结构性能关系，提升GaAs纳米线光电器件性能指标提供理论及实验依据，具有重要的现实意义。

该项目主要依托球差校正高角环形暗场像和离轴电子全息等先进的电子显微学表征手段，围绕GaAs纳米线中的各种类型异质界面，进行了界面原子尺度结构与相应电学行为的定量研究，其中主要包括InAs量子点修饰GaAs纳米线中的纳米尺度极化效应、GaAs单量子阱/AlGaAs纳米线异质结界面纳米尺度电学特性、镶嵌InAs量子点的GaAs/AlAs核壳结构纳米线异质结的纳米尺度电学性能等一系列研究。在原位透射电子显微学研究方面，开展了包括硒化铅纳米晶原子尺度受温度调控的生长模式、升华行为及表界面重构行为研究、水热法合成对称单质碲纳米片的原子尺度生长机理研究、在氧气中退火（K,Na）NbO3纳米棒压电效应提升的原子尺度机理研究等。在器件工作机理研究方面，开展了包括稳定可调的单层硫化钼/无机三卤化物钙钛矿纳米晶高性能光电探测器研究、基于仿生微结构的高性能柔性MXene压阻传感器研究、MXene/rGO/PS 球多维网络高性能压力传感器研究、包含高通过率纳米级离子通道和高机械强度的 MXene电极用于高容量锌离子储能研究等。上述研究对于未来高性能光电器件设计及性能提升具有重要的现实意义。