化学合成的金属催化剂对III-V族纳米线结构与性能的调控机制

III-V semiconductor nanowires (NWs) are generally considered more ideal electronic and optoelectronic materials than silicon for their excellent carrier mobility. However, synthesis of single-crystal NWs with specific structure, growth orientation and uniform diameter is a major challenge, which limits their potential applications. To tackle this problem, we propose that (1) chemically synthesize metal nanoparticles with various sizes, crystal morphologies, and core-shell nanostructures to catalyze the growth of III-V NWs on amorphous substrates; (2) clarify the influence of the metal nanoparticle size, facet, and composition on the supersaturated alloy seeds and the NW growth speed, crystal phase and defects, utilizing complementary crystal characterization and simulation approach; (3) establish the relationship between structure and performance of NWs by electrical and photoelectrical measurements, so that we can choose NWs with high quality and fabricate novel structural nanodevices. The successful completion of this project will provide the theoretical foundation for designing the catalyst of III-V NWs, guarantee the high-quality materials for the next-generation high-performance electronic and photovoltaic devices, and technically support the growth of the other metal catalytic one-dimensional nanomaterials.

III-V族半导体纳米线由于优异的载流子迁移率，被认为是继硅之后更为理想的电子与光电子材料。然而低成本可控合成具有特定晶型、生长方向的直径均一的单晶纳米线仍然是制约其应用的关键问题之一。本项目针对此问题，拟采用化学方法合成不同尺寸、形貌的单一组分及二元核壳结构的金属纳米颗粒，在非晶基底上催化诱导III-V族纳米线的生长；通过相关表征手段及晶体结构模拟技术，厘清金属催化剂的粒径、晶型、组成对合金种子的结构及纳米线生长的影响规律，揭示纳米线的生长速度、晶向、缺陷等与催化剂的内在关联；采用微纳米加工技术制备基于纳米线的电子器件，通过电学、光电测试，建立纳米线结构与性能的关联，明确制备高质量纳米材料的工艺参数,并初步探索新型的器件结构。本项目的研究成果为设计III-V族纳米线的催化剂提供理论依据，为设计高性能的电子、光伏器件提供有力的材料保障，也为其他金属催化生长的一维纳米材料提供理论与技术支持。

三五族半导体纳米线由于较高的理论载流子迁移率和光电转换效率，在高性能电子、光电器件方面有巨大的应用前景。但目前大部分纳米线材料是在昂贵的单晶基底上外延生长得到的，且存在表面缺陷多、直径分布大、晶相混杂等问题。之前的多数研究集中于对生长温度、元素比等生长环境的调控，对纳米线的晶体质量和电学性能的改善有限。本课题从半导体纳米线的气-液-固（VLS）和气-固-固（VSS）生长机理出发，基于化学合成的不同尺寸、晶体结构的金属催化剂，结合二步法合成工艺及硫、氧表面活性剂辅助的化学气相沉积工艺，在非晶的SiO2基底上可控合成了高晶体质量的GaAs、InP、Ga/GaAs异质结等纳米结构。采用了系列晶体学、电学表征手段和光谱分析技术研究了纳米线的生长机理及结构特征。并通过微纳米加工技术制作了相应的电子、光伏器件，其中由Ni电极实现欧姆接触，其InP场效应晶体管的电子迁移率高达2000 cm2V-1s-1，接近理论极限；而由Au-Al不对称电极制作的光伏器件具有最高的开路电压，制备出的水平结构单根GaAs纳米线的太阳能电池效率高达16%。以粒径为10 nm 的金胶体为催化剂调控出的单晶Ga/GaAs异质结，其肖特基势垒高度为1 eV，且界面处为原子级接触，可以极大地减轻“费米钉扎”现象对纳米线器件性能的影响；以金八面体为催化剂调控出了单晶的Ga纳米线，反映了催化剂的晶面对于Au-Ga合金态及Ga的溶出状态有显著影响，通过原位显微分析可以深化纳米线生长的动力学机制。进一步地，将本项目的研究扩展到了ZnO半导体纳米线的外延生长中，结合微区光致发光光谱和原位电学、气敏测试技术，系统研究了单根ZnO纳米线结构与气敏性能之间的关联规律。同时本项目还进一步探索了图案化金属纳米颗粒在微型传感器、呼吸检测领域的应用。本项目的研究成果为金属催化的半导体材料提供重要的理论与技术支持。