类石墨烯基底上III-V族纳米线范德华外延生长动力学研究

Growing III-V nanowires on graphene-like two-dimensional (2D) materials by Van der Waals epitaxy principle can exploit the superior optical properties of these semiconductor materials while avoiding their drawbacks. Besides, these hybrid-heterostructures can be designed to present any type of band structure, thus posing great applications in the future nanoelectronics and optoelectronics devices. However, lacking proper growth mechanism of Van der Waals epitaxy restricts the development of this new research field. Therefore, this proposal, choosing InP growth on graphene-like 2D materials as an example, is devoted to: 1) develop an efficient method to modify the surface energy of the 2D materials and optimize the nanowire growth parameters to realize controllable growth of single crystal InP nanowires; 2) establish a solid growth model for Van der Waals epitaxy of III-V semiconductor nanowires via a combined analysis approach by electron microscopy studies of the nucleation and growth behavior of InP on 2D material substrates, first principle calculations and crystal growth principle; 3) characterize the unique optical properties of the hybrid-heterostructure using time-resolved photoluminescence and related optical techniques and explore its potential applications in the photodetection field as soft-devices. The successful completion of this project is expected to master the growth fundamental of Van der Waals epitaxy of inorganic nano-semiconductors, thus providing a scientific method and principle for the design and growth of other hybrid-heterostructure.

利用范德华外延生长原理在类石墨烯二维晶体表面生长III-V族纳米线形成异质结，可充分发挥两类半导体优异光学性能的同时避免各自缺点，且能开发任意类型的能带结构，在未来新型光电器件和纳电子器件中具有重要应用。然而这新兴研究领域的发展受制于范德华外延生长机理的缺失。因此,本项目拟以类石墨烯二维材料表面上外延生长InP为对象：1) 优化二维材料表面改性工艺及纳米线外延生长参数，实现高品质单晶InP纳米线的可控范德华外延生长；2）利用电子显微镜测定纳米线在二维材料表面的生长情况及界面结构，分析其形核长大过程，结合第一性原理计算及晶体生长原理，建立普适的纳米线范德华外延生长机理；3）使用时间分辨荧光光谱等光学测量手段分析InP纳米线-二维材料新型异质结的特异光学性质，并探索这种结构在柔性光电探测领域的应用。项目最终建立范德华外延生长无机半导体的基本原理，为其它新型异质结的开发提供一种可借鉴的研究思路。

二维原子晶体以及III-V族纳米线是两类重要的低维半导体。在二维材料表面范德华外延生长III-V族纳米线可突破传统外延生长晶格匹配的限制。本项目开展的三年中，我们利用多种外延生长手段，研究了二维原子晶体的可控外延生长，III-V族纳米线在不同二维材料表面的范德华外延生长，实现了高质量InP及GaAs纳米线的范德华外延生长。研究进一步揭示了纳米线的光学及力学性能，研制了基于单根纳米线的光电探测器原型器件。项目研究成果发表在以ACS Nano、Nano Letters为代表的高水平学术期刊上，申请国家发明专利2项，获批1项，受邀在学术会议是做口头报告多次。.我们的研究：.1.进一步加深了二维原子晶体的范德华外延生长机制，首次提出了直接双层形核长大模型，并提出了利用差热技术预测前驱体反应物实时浓度以揭示过渡金属硫族化合物生长过程的方法。研究进一步利用液相前驱体实现了厘米级别的单层MoSe2生长。.2. 研究发现在较低生长温度、低V/III及预先通入AsH3处理云母表面有助于促进金催化GaAs纳米线的范德华外延生长，实现了接近70%的垂直GaAs纳米线在云母表面上的范德华外延生长。.3. 研究优化InP纳米线在石墨烯表面的范德华外延生长条件，首次实现了直径低于10nm的纤锌矿单晶InP纳米线。研究进一步利用Ag作为催化剂，在低真空条件下实现了均匀InP纳米线在高定向热解石墨烯表面的生长。.4. 研究进一步澄清了多晶纤锌矿GaAs纳米线的特异光学性质，证明层错并不会大幅度降低纤锌矿GaAs纳米线荧光效率，成功制备得到近红外光波段响应的纳米线光电探测器。.在项目支持下我们还获得了以下发现：.1.测定了闪锌矿超晶格InP纳米线的纳米力学性能及断裂机制。证明InP纳米线的材料失效从孪晶界面开始，以脆性断裂的方式形成，期间并未观测到非弹性变形机制。.2. 项目执行实现了均匀且形貌可调的InP纳米结构阵列，所生长的InP纳米材料具有完美的纤锌矿单晶结构，拥有优异光学性质。.这些研究成果为进一步推动低维纳米半导体在光电领域的应用奠定了基础。