一维III-V族半导体纳米线在二维材料表面范德华外延生长及机理的研究

Van der Waals epitaxy is one of the most promising technique for the growth of low dimensional materials combinations . For instance, in order to combine the advantages from the both sides, one dimensional (1D) systems like III-V nanowires (NWs) on the surface of two dimensional (2D) systems, like graphene could be realized by the Van der Waals epitaxy. The traditional way to realize the growth of III-V NWs is the vapor-liquid-solid process (VLS) assisted by foreign metallic catalysts. However, the contamination introduced by the metallic atoms on the 2D surface can modify the physical properties of the 2D material dramatically. Catalyst-free(or self-catalysed) Van der Waals epitaxy, therefore, are intensively demanded in this scenario..Due to the fact that the experimental expiration of the Van der Waals epitaxy of III-V NWs grown on 2D materials has not been well studied, the research proposed will focus on the combination of advance epitaxy technique with advance electron microscopy characterization in order to obtain a systematic control of the growth process. Furthermore, by employing the in situ environmental electron microscopy, the nucleation and incorporation process of the hetero adatoms will be visualized. Based on the experimental data, the microscopy mechanism of each process will be also studied aiming on a clear understanding of the self-catalysed Van der Waals epitaxy process.

利用自催化范德华外延生长将一维III-V族半导体纳米线和二维材料两种纳米材料进行复合，是发展下一代新型纳米光电子器件制备的优选方法之一。受限于形核过程对表面范德华相互作用的敏感性，在二维材料表面进行一维III-V族半导体纳米线的精确可控范德华生长一直缺乏系统性的实验探索。同时由于晶体生长过程中吸附原子在界面的扩散和晶体内的渗入行为非常难以进行原位显微学表征，在二维材料表面上一维III-V族半导体纳米线的精确可控范德华生长过程更缺乏直接明确的形核、生长过程物理图像。本项目拟将先进外延技术与先进原位电子显微学技术结合，系统地对一维III-V族半导体纳米线在二维材料表面的自催化范德华外延进行实验探索。通过在环境球差透射电镜中模拟实际外延生长条件，从原子层面揭示初始形核和结晶生长机理，建立形核和晶体生长模型。

通过先进外延方法“自下而上”生长低维半导体纳米结构是近来半导体纳米技术的研究热点。利用这一技术有望突破目前利用常规紫外/深紫外刻蚀制造的物理加工限制。在可控外延生长的低维半导体纳米结构中，一维材料和二维材料被认为是新一代高速电子/光电子器件的首选纳米结构。以砷化铟(InAs)、磷化铟(InP)、砷化锑(InSb)以及其复杂异质结构为代表的一维材料拥有强量子限域效应、可调节能带结构，优良的光电性能等诸多优异的物理性能，但其随机生长的形貌和严苛的生长条件严重限制了器件制备的可行性和规模化。以石墨烯、黑磷、二硫化钼、二硫化钨等为代表的二维材料虽然拥有本征的高电子迁移率、良好的柔性，是可规模化应用、广泛制备下一代电子器件的潜在材料，但其较小的带宽和较小的光吸收性能限制了其在高响应光电器件上的应用。随着对这两类低维纳米材料制备工艺、电子器件制造工艺的日渐深入研究和探索，将一维和二维两种纳米材料进行复合，是发展下一代线程小于 10nm 新型纳米电子器件制备的首选方法之一。.利用二维材料作为基底，通过范德华外延生长的办法实现一维纳米线高质量精确可控生长是精准获得一维/二维纳米材料进行复合材料精确生长的可行方法。实际过程中难点在于降低生长材料维度至一维甚至以下时，外延生长结果对生长参数与基底表面十分敏感。本项目围绕一维纳米线材料在二维材料表面的范德华外延生长进行实验探索，研究了天然氧化硅，纯硅等不同基底对范德华外延生长中界面晶体学取向、缺陷形成、异质界面成分、微观应力分布的影响机理，为未来实现新一代先进纳米光电器件做出必需的理论和技术积累。