压电型半导体微纳结构界面光电转换及其调控机理的原位透射电镜研究

Due to the prominent piezoelectric effect and surface/ interface effect, piezoelectric nanomateirals show the strong coupling among mechanical, optical and electrical property, which can serve as a fundamental for designing high-efficiency photoelectric conversion devices. This project will design and fabricate several interface heterostructures based on piezoelectric semiconductor nanowires (ZnO, GaN etc.). Using our homemade in-situ TEM optical-electrical probe technique, mechanical, optical and electrical manipulation will be conducted on individual nanostructures to measure multi-field coupling and photoelectric conversion properties. At the same time, high resolution image of nanostructures including interfaces will be recorded in-situ, and the principle and method of new energy conversion mode and performance manipulation for the semiconducting nanostructures by strain will be studied. The content includes: (1) Optical-electromechanical coupling properties of individual semiconductor nanowries and their manipulation will be studied; (2) Fabricate piezoelectric semiconductor nanowire p-n junctions, and further prepare the nanodevice which can be measured inside TEM; (3) Measure the light emssion and photovaltaic properties, the structural mechanism for the enhancement of photoelectric conversion will be revealed; (4) Based on the above studies, mechanical strain manipulated photoelectric conversion properties and its mechanism will be also probed.

ZnO、GaN等压电型半导体纳米线比其块体材料更容易显现压电效应，利用压电势调控界面能带结构从而调控和增强光电转换性能，是本项目设计制备新型半导体微纳结构界面，研究光电转换及其调控机理的出发点。我们将制备几种基于压电型半导体(ZnO、GaN等)纳米线pn结异质界面，利用自主研制的原位透射电镜光电测试和纳米操纵装置，表征材料和界面结构，原位测量光机电耦合性质与光电转换性质，并操作纳米线机械形变产生压电势，研究光电转换性质与结构的对应关系及其在应变下的演化过程，在原子尺度揭示新型光电转换及其调控的机理。主要研究内容包括（1）研究单根半导体纳米线光机电耦合性质和结构与外场调控原理；（2）制备压电型半导体微纳结构pn结异质界面，加工制作适合透射电镜原位测量的器件结构；（3）原位测量发光和光伏特性，研究光电转换性质及其微观结构机理；（4）研究应变对光电转换性能调控和增强作用的机制，获得新型器件原理。

以氧化锌为代表的压电材料纳米结构由于维度减少，比它们的块体材料更容易显现出压电效应，再加上纳米材料具有突出的表面界面效应，这些特征为研制新型光电器件提供了一个重要设计思想。本项目基于压电性半导体纳米结构及其界面的制备，在透射电镜内原位研究微观结构与光电特性的构效关系及其在应变下的演化过程，在原子尺度下揭示光电特性及其应变调控的机制，研究结果将会促进纳米能源、信息和传感等器件的开发。.本项目开展压电型半导体界面光电特性的原位透射电镜研究，主要研究内容概括为：1）研究单根半导体纳米线半导体特性、多场耦合与调控原理；2）制备压电型半导体微纳结构异质结界面，加工制作适合透射电镜原位操纵和测量的器件结构；（3）原位测量光学特性，研究光电性质及其微观结构机理；4）研究应变对光电特性调控的机制，获得新型器件原理。.项目取得的创新性成果有：(1) 获得ZnO纳米线半导体激子和金属表面等离激元的耦合特性，定量测得两者的耦合强度为85 meV，是ZnO纳米线光学特性研究的重要进展; (2) 制备压电型半导体微纳结构ZnO/Si 异质结界面，加工制作透射电镜原位操纵和测量的器件结构，是界面和原位电镜器件构筑研究的突破; (3) 原位获得半导体及其界面发光特性，揭示了发光特性的微观机理; (4) 利用原位透射电镜技术，操纵压电型半导体纳米线，获得其压电电子学特性，提出了一种压电势作为栅压调控的两端场效应晶体管原型器件。.项目共发表SCI论文13篇，其中影响因子大于3的有10篇；申请专利3项；培养了5名博士毕业生。