半导体纳米线-金属电极界面原位合金化研究

本项目针对半导体纳米线-金属电极界面原位合金化方面的基础性科学问题，以半导体纳米线-金属电极界面状态与电输运性能的相互关联为主要内容，利用电子显微学方法进行外加电场诱导半导体纳米线-金属电极界面原位合金化的研究，了解和掌握半导体纳米线-金属电极界面原位合金化的形成机理和微结构特性。探讨按照纳电子器件所要求的界面微结构设计和特定功能，开发半导体纳米线与金属电极界面合金化制备和微结构修饰技术。建立半导体纳米线-金属电极界面原位合金化与电子输运性能的内在联系，对半导体纳米线-金属界面原位合金化影响电输运性能做出基础性规律研究。借助当代先进纳米技术实现对半导体纳米线-金属电极界面原位合金化和微结构的设计、控制，揭示其内涵深刻的物理、化学过程和特殊效应，通过本项目的研究，为解决纳电子器件制备技术中的基础性问题作出贡献，进而为发展新型纳电子器件制备提供科学依据和可能的解决方案。

针对金属-半导体纳米线界面微结构和电输运性能调控方面的基本科学问题，以原位合金化反应和界面电学特性为主要研究内容，重点研究了金属-化合物半导体纳米线界面合金化和电输运性能调控方面的基础性规律。基于电子显微学方法系统研究了原位合金化发生的条件和过程，利用大电流通过肖脱基结产生的焦耳热对半导体纳米线-金属电极界面进行局部加热处理，提高界面温度使得化合物半导体纳米线与金属电极发生化学反应，形成新的合金相，解决了化合物半导体纳米线-金属电极界面原位合金化的关键技术。该纳米技术的关键是在原位自加热过程中如何控制半导体纳米线和半导体纳米线-金属界面处的温度分布。通过本项目研究开发了利用界面电流密度控制界面温度的方法。当通过界面的电流密度高于纳米线中的电流密度时，界面产生的焦耳热大于纳米线中产生的焦耳热，导致界面温度高于纳米线的温度，在界面上诱发合金化反应，而化合物半导体纳米线仍保持完整。利用电子显微学方法对金属与单根纳米线进行可控的界面化学反应，能将合金化反应限制在金属-单根纳米线界面尺度范围内，克服了以往无法对纳米界面进行热处理及合金化尺度控制方面的困难。这种依靠自加热方法得到的金属-半导体纳米线界面合金化反应具有良好的重复性和高可靠性。当金属-纳米线界面发生合金化反应生成新的合金相时，可以将纳米线牢固地连结在电极上，形成良好的电接触，因此界面合金化亦是一种适合于金属-半导体纳米线连接的新方式。电输运性能的原位测量表明：新生成的界面合金相作为金属电极与半导体纳米线的中间过渡结构，与金属电极和半导体纳米线的界面势垒都很低，电子很容易穿过该过渡层从金属电极进入到化合物半导体纳米线。因此，界面合金化可以消除金属电极-化合物半导体纳米线界面的肖脱基势垒，实现金属电极-化合物半导体纳米线界面电学性质从肖脱基结到欧姆结的转变。这种电学特性的转变既可以有效降低界面电阻，提高界面的热稳定性，又能揭示纳电子器件本身的电输运特性。界面原位合金化作为一种新的金属电极-化合物半导体纳米线连接技术和界面电输运特性调控技术，为进一步在更高的层次上研究和解决纳电子器件制备技术和电输运性能调控方面的关键科学问题，提供了有效的实验基础。通过对金属-化合物半导体纳米线界面基本热、电行为的研究解决了诱发、控制界面合金化反应和调控电输运性能的关键技术问题，丰富了纳米界面微结构和物理性能研究的内容，达到了本项目设