外场作用下III-V族异质结纳米线原子结构演化的电子显微学研究

Groups III-V heterostructure nanowires have unique structure and properties, which have important potential applications in many nano-devices. In this project, we intend to choose larger lattice mismatch degree of InAs-GaAs (lattice mismatch degree of 6.7%) and smaller lattice mismatch degree InAs-GaSb (0.59%) as two typical study objects. By adjusting the growth temperature, III-V ratio influence factors etc., we will try to have a controllable preparation for the axial heterostructure and radial heterostructure nanowires. The different heterostructure nanowires will be characterized precisely using the Cs-corrected transmission electron microscope, and atomic structure information of heterostructure interface will be obtained to analyze how the lattice mismatch degree affects the heterostructure nanowires. We will also choose different heterostructure nanowires, apply in situ external fields (heating or electricity) on them and study their atomic structural evolution process under the influence of the external field. We will also investigate the defect interactions on heterojunction interface, and check if there is a mutual diffusion element migration phenomenon, understand the instability condition of heterojunction, etc. This will provide more abundant atomic-scale information for III-V heterostructure nanowires precise preparation, also provide basic guarantee for their applications in devices.

III-V族异质结纳米线具有独特的结构和性能，在许多纳米器件中有重要的应用前景。本项目拟开展以下三个方面工作：1）以大晶格失配度的InAs-GaAs (失配度为6.7%)和较小晶格失配度的InAs-GaSb(失配度为0.59%)为两种典型代表，通过调整生长温度、III-V比等影响因素，获得它们轴向异质结纳米线和径向异质结纳米线的可控生长；2）利用球差矫正透射电镜对不同条件下的异质结纳米线结构进行精确表征，获得界面原子尺度结构信息，考察不同晶格失配度对异质结纳米线结构的影响；3）对不同结构的异质结纳米线，施加原位外场（加热或通电）加载，详细研究它们在外场影响下的原子结构演化过程，考察异质结界面处缺陷的相互作用，以及元素是否有相互扩散迁移等现象，了解异质结的失稳条件等。这将对III-V族异质结纳米线的精确制备提供更加丰富的原子尺度信息，也将对它们的器件化应用提供基础保障。

III-V族半导体纳米线因为和Si在结构上类似、禁带宽度较小、载流子迁移率高等优点而受到人们的格外关注，也更具有实际应用价值，如太阳能电池、负微分电阻（NDR）、隧穿二极管、隧穿场效应晶体管（TFET）等领域。这些半导体异质结纳米线应用于实际器件中，不可避免要受到焦耳热、电场等外场作用。异质结界面处由于本身晶格匹配上会有应力的存在，那么在这些外部作用下，对界面结构的稳定性评估具有重要的实际意义。另外，本身对这种特殊结构外场作用下的清晰结构演变物理图像的获得，也为基础物理研究提供了重要的实验数据。因此，开展精确控制III-V族半导体异质结纳米线的生长，获得超高分辨（亚埃尺度）的异质结界面处原子结构的物理图像，实现外场作用下的结构演变的原子尺度研究对于清晰理解最基本的物理过程、器件基础单元应用中的稳定性具有重要的指导、参考价值。. .本项目基本按照申请书的研究内容和研究目标对III-V族异质结纳米线可控可控制备、原子界面结构的精确表征以及外场作用下界面结构和缺陷结构原子尺度的演化开展了系统地研究，并建立相应的原子结构模型，针对结构模型，开展理论分析深入理解外场作用下的结构演化物理机理，阐明温度、应力等对界面结构以及原子扩散的影响规律；此外，本项目还拓展了对其它半导体异质结体系的探索，实现了其原子尺度的微观结构与宏观特性的关联，阐明了微结构对其性能的影响。.在本项目的资助下共计发表21篇论文，其中SCI一区11篇，包括Nature Energy, Energy & Environmental Science（2篇）, Materials Today Physic, Applied Catalysis B: Environmental , Advanced Functional Materials , ACS applied materials & interfaces（2篇），Advanced Energy Materials，Nanoscale (2篇) ；荣获2020年国家自然科学二等奖。..本项目的开展与实施，对人们理解III-V族凝聚态体系、硅基太阳能电池、热电材料等，尤其是异质结界面处的原子结构以及其在外场作用下的结构演化、成分分布情况提供了清晰的物理图像，并将宏观的物理性能与其微观的结构演化对应起来，为高性能的材料、器件的设计起到了重要的指导意义。