微区表面限制下的低维半导体材料自融合生长及应用

位置和形态精确控制的低维半导体材料制造是其走向应用的基础。本课题在衬底表面引入图案化微区限制（抗蚀剂或催化剂图案）后，进行低维半导体材料生长研究，意义如下：①精确控制材料生长位置。②保留及控制低维材料的生长习性。③最重要的一点，在微区的限制作用下可以产生自融合结晶生长，在多种衬底上获得与微区图案完美匹配的低维结构；克服了在普通（非自融合）生长过程中，当材料习性尺寸与微区尺寸不匹配时，纳米结构在微区位置上不完全可控甚至混乱团簇生长的难题。课题拟从限制条件、生长方式等多角度系统探讨ZnO纳米柱等低维材料自融合生长的过程，揭示这个重要但鲜有报道的微区限制引起的自融合结晶生长机制，获得微区限制下自融合生长低维材料的通用方法；研究物性与自融合结晶的关系，并对以自融合生长低维材料为基础的发光与电子器件性能进行研究；研究氧化石墨烯衬底上的微区低维材料生长与光催化，探索其在制造图案化石墨烯中的独特应用。

本课题以低维半导体材料生长时的位置与形态双重匹配控制为出发点,围绕可以和微区限制尺寸匹配的"自融合"生长结构为核心研究内容,系统的探索了其中的过程、内在机制、性能应用及各种相互关系；共发表SCI期刊论文15篇，培养毕业硕士研究生6人；完成了任务书所列的研究内容及预期研究成果。具体的研究内容包括：.(1) 研究微纳结构在抗蚀剂微孔内部自融合和继续生长的过程，实现从最初籽晶层时的多晶籽晶，经过微区限制下的自融合过程形成了自融合结构。通过不同添加剂的两步生长，可以在抗蚀剂微孔的作用下获得与微孔尺寸吻合的自融合生长微米柱；成功的实现了在远大于纳米线生长习性的尺寸上，通过抗蚀剂孔的作用生长出了与微孔形状尺寸吻合的柱状结构;.(2) 抗蚀剂的应力起到控制晶化融合的作用，多晶籽晶层的取向对抗蚀剂孔内的生长结晶状态有重要影响;.(3) 籽晶层辅助的水热生长是一种自衬底而上的生长方式，因此可以利用水热方法获得类似于电化学方法的三维多孔结构；利用籽晶层辅助的三维胶体晶体模板，成功获得了具有多孔结构的ZnO柱结构;.(4) 系统探明自融合现象与结晶质量的相互关系。融合生长的外形结构与融合生长后材料的结晶质量并不存在强烈的依赖关系，通过生长修饰剂可以完善融合微结构的外型，但并不保证提供结晶质量的改善，限制区域尺寸越小，籽晶层的结晶质量越好，微区限制下生长的ZnO微米棒将具有较好的结晶质量;.(5) 微区限制生长的材料为核心，实现了氧化锌/氧化亚铜的光纤型结构并研究了相应的电学特性;.(6)利用微区限制的自融合生长提供了ZnO材料的位置与形态的准确控制，研究了胶体自组织过程受到二维柱阵列间距以及柱外形的影响；胶体颗粒与二维柱阵列阵列间距、外形匹配时，不会给完美的三维自组织带来缺陷，不匹配的间距和外形则引入额外裂纹及无序组装;.(7) 通过微区结构表面的周期性结构，实现对氧化石墨烯的局部还原，构建了具有周期阵列结构的石墨烯网；石墨烯网结构展现出不同的形貌/结构属性，包括氧化还原和结构起伏，并系统研究了电导率及光学特性的相应结构依赖关系。