组分调控型半导体纳米线的水平导向生长及其纳米器件阵列

Composition tunability (graded composition, heterojunctions, intentional doping, ect.) and horizontally ordered arrangement of nanowires will play key roles in the development of practical nano-electric and nano-optoelectronic devices. The former is an effective way to enrich the functions of nanodevices, and the latter is critical for the large-scale fabrication of nanodevices. On the basis of our previous excellent work on compositionally-graded alloyed nanowires, this project aims to achieve the horizontally guided growth of compositionally-tunable semiconductor nanowires on sapphire substrate, etc., by taking the advantages of both the source-moving chemical vapor deposition and the graphoepitaxial growth. What’s more important, we will focus on the construction and evaluation of various nanodevice arrays based on these unique nanowire arrays, such as high performance lateral multijunction solar cells, light emitting diode arrays, broad-band response photodetector arrays, etc. Our research is promising to simultaneously achieve compositional tunability and large-scale horizontally ordered assembly of nanowires for the first time, which further provides a feasible way for the fabrication of multi-function nanodevice arrays. In this regard, this project is significant for both fundamental scientific research and design of potential applications.

纳米线的组分调控（梯度组分，异质结，可控掺杂等）和水平有序排列将在发展实用化纳米电子和纳米光电器件中扮演关键角色。前者是丰富纳米器件功能的有效途径，后者则是纳米器件实现大规模制造的关键。基于我们前期关于组分梯度合金纳米线的出色研究成果，本项目拟通过结合蒸发源移动式化学气相沉积和图形外延生长的各自优势，期望在蓝宝石等衬底上实现组分调控型半导体纳米线的水平导向生长。更加重要的是，拟研发和评估基于这些特殊纳米线阵列制作的纳米器件阵列，特别是高性能横向多结太阳能电池、发光二极管阵列，宽带响应光探测器阵列。我们的研究有望率先同时实现半导体纳米线的组分调控和大规模水平有序排列，进而为制造多功能纳米光电器件阵列提供可行途径。因此，本项目在基础科学研究和潜在应用开发两方面都具有重要意义。

本项目在开展初期，我们按照研究计划利用磁力辅助化学气相沉积法集中尝试了组分调控型合金半导体纳米线在蓝宝石衬底上的水平导向生长。遗憾的是，在历时超过一年的不断尝试中，由于意料之外的困难，我们始终未能实现组分调控型合金纳米线的水平导向生长。考虑到剩下的项目执行期十分有限，我们不得不将项目研究计划调整为：基于同样的磁力辅助化学气相沉积法，开展了半导体纳米线可控掺杂研究。得益于这一及时调整，最终在项目执行期即将结束时取得了以下研究成果。（1）实现了硫化镉纳米线的铟可控掺杂并利用这些纳米线实现了发光颜色从绿到红的可调光致发光，论证了利用杂质浓度或激发光强度调控光致发光颜色的可行性、优势和缺陷。（2）通过人为增加硅表面氧化层的厚度，有效提高了铕离子在硅-二氧化硅核壳纳米线中的掺杂浓度，这一方面为解决稀土离子在硅基纳米线中溶解度过低这一瓶颈提供了一种新的思路。另一方面，我们从这些新颖纳米线中观测到了来自铕离子的高效硅兼容红光发射，提出了一种解决单晶硅不发光缺陷的潜在途径。（3）阐明了纳米尺度的超薄硒化铟纳米片可外延生长于硅纳米线上并扮演红光发射中心，提出了不同于掺杂硅纳米线的另一种实现硅基光致发光的策略。（4）利用ZnO纳米颗粒薄膜在可见光照射下实现了对甲醛浓度的高性能光电探测。（5）利用多孔WO3纳米晶薄膜在紫外光照射下实现了对环境湿度的高性能光电响应。（6）利用无模板法制备ZnO@ZnS核壳纳米线阵列成功地制作了高性能超级电容。