基于平面纳米线超临界掺杂效应和异质量子点嵌入结构的光电物性调控

The rich interface dynamics in self-assembly growth, as well as their broad controlling parameters, could provide an ideal testing bed and wide basis for exploring a next generation of Si-based optoelectronic coupling, detection and single photon emission. This project proposes a novel strategy of material property engineering and control in self-assembly Si nanowires (NWs) fabricated via a unique in-plane solid-liquid-solid (IPSLS) mode, where an amorphous thin film is fed as solid state precursor and the quasi-equilibrium growth dynamics play a deterministic role. We will 1) first exploit the effect of “colossal injection/doping” of metal catalyst atoms into the as-grown NWs, and their underlying physics and relevant tailoring parameters, to achieve a self-doping and even bandgap engineering in Si or Ge NWs, aiming at near or mid infrared detection; 2) second, we will explore a unique “swallow-embedding” kinetics of the metal catalyst droplets that lead the in-plane growth of NWs, in order to embed highly efficient light emitting foreign material quantum dots into ultra-long NW waveguide. This will enable a high efficient light excitation, single photon emission and detection in the hybrid QDs-NWs system. This project will lay an important basis for developing new design principles and descriptive theory for exploring high performance Si-based optoelectronics.

纳米线自组装生长的丰富界面动态过程和物理控制参量，为实现硅基光电耦合、集成探测、以及高效单光子发射等核心光电功能应用，提供了新颖的物性调控和实现手段。本项目采用一种独特的平面纳米线自组装生长模式，以固态非晶薄膜作为前驱体，在微纳尺度下研究准平衡态生长界面上获得的平面纳米线的物性调控新手段和物理过程: 1）研究金属颗粒诱导下准平衡生长过程中的纳米线“巨掺杂”特性及其相关的关键物理过程和调控参数，以实现在硅/锗基纳米线中的高效自掺杂效应和能带调控，进而实现硅/锗基纳米线近/中红外光电探测等；2）探索利用平面纳米线催化液滴的新奇界面动态过程，直接将异质高效III-V或II-VI量子点光源“吞噬-嵌入”到超长硅基纳米线波导之中，构建新型异质量子点嵌入结构。进而，实现发光量子点与纳米线光波导的高效耦合及单光子源发射。为开拓新型硅基纳米光电功能材料提供全新的技术思路和理论基础，并为器件实现打下良好基础

本项目聚焦于研究一种新型平面纳米线自组装生长模式，以金属纳米液滴进行诱导并以固态非晶薄膜作为前驱体，探索其中独特的生长形貌、组分和掺杂等调控手段，以及如何在可定位集成的纳米线沟道中形成或嵌入异质量子点结构，以实现新颖的能带结构和光电探测功能。项目执行4年以来，取得了一系列重要科学发现和丰富的研究成果，顺利地开展了预定的工作计划，面对技术困难积极另辟蹊径，最终基本达成了预期的研究目标。其主要成果包括：1)生长调控方面：深入发掘了平面纳米线独特的形貌调控能力，实现了规模化精准生长定位、超低温（@70 oC）生长、激光自聚焦超高速生长、可拉伸晶硅纳米沟道规模制备、三维螺旋生长等新技术突破；2）物性调控方面：发现锗硅超晶格生长调控机制、利用非平衡态巨掺杂注入实现n型纳米线掺杂、成功实现非晶前驱体纳米线掺杂及单线CMOS逻辑集成、异质量子点嵌入超晶格技术等新型物性调控能力；3）器件制备方面：基于Si纳米线精准接触的Ge量子点成功实现了通讯波段1550nm光电探测器件，以及高性能平面纳米线阵列场效应薄膜晶体管（TFT）器件和三维堆叠超高密度、高均匀性纳米线阵列结构（服务于构建新一代GAA-FET器件）。与产业龙头企业华为海思、华为终端以及京东方等企业，围绕新一代显示、柔性电子和GAA-FET器件，启动3项产学研合作项目（总共640万），并实现200万的专利成果转让。为后续深入平面纳米线生长调控机理探索以及推进产业化应用打下了坚实的基础。在项目支持下发表通讯作者SCI研究论文33篇，其中包括1篇Nature Communications，2篇Advanced Materials，7篇Nano Letters，1篇ACS Nano，2篇Nano Energy，1篇Small等（14篇IF>10论文）。申请发明专利37项（与华为产学研合作共同申请专利7项），授权7项（PCT国际专利授权1项）。培养博士毕业生8名、硕士毕业生10名，以及指导10名本科毕业生论文，两名博士毕业生获国家“博新计划”支持，一篇硕士论文获2017年江苏省“优秀学术学位硕士学位论文”称号。