南京大学缪峰课题组利用边界同质外延法 在取向生长半导体纳米线领域取得重要进展

背景介绍

半导体纳米线因一维结构所导致的限域效应和优异的物理性质，在电子和光电子器件、传感器和柔性器件等领域具有广泛的应用前景。发展与硅技术集成的纳米线阵列生长技术对实现纳米线在器件领域的应用具有关键作用。通常，汽-固法和气-液-固法是生长一维半导体纳米线的两种常用方法。由于均相成核的随机性，汽-固法直接在硅基底上所生长的纳米线面临杂乱和随机取向生长的问题，这导致此方法所生长的纳米线很难与目前的电子电路进行有效集成。气-液-固方法利用金属催化剂辅助生长，可以有效克服随机取向的问题，被广泛应用于合成半导体纳米线。但是，金、银等金属催化剂促进纳米线生长的同时，也会在纳米线晶格内引入深能级缺陷。这些深能级缺陷作为复合中心会严重影响纳米线的光电性质，进而损害其电学和光电器件的性能。此外，生长高质量半导体纳米线平面阵列通常需要单晶基底，如蓝宝石、氮化镓和碳化硅等。这些单晶基底价格昂贵，而且时常面临晶格失配的问题，限制了其广泛应用。因此，有必要发展一种无需金属催化剂和单晶基底的生长半导体纳米线平面阵列的方法。

成果简介

为了解决上述挑战，南京大学物理学院的缪峰教授课题组开发出了一种无需金属催化剂的边界同质外延合成方法，首次直接在硅基底上生长出高长径比的硒化铟纳米线平面阵列。研究发现其生长机理是硒颗粒自驱动的气-液-固生长模式，这区别于传统的金属催化剂驱动的生长方法。边界同质外延生长纳米线的生长机制为：在较低温度下，首先生长出硒化铟的单晶纳米片；随温度升高，少量分解产生的硒颗粒吸附在化学活性较高的纳米片边界；后续的硒化铟气体分子与硒颗粒融合，达到饱和后不断析出。由于晶格常数完全相同，所析出硒化铟分子在硒化铟纳米片晶格导向作用下定向外延生长。最终，生长出与纳米片边界结合的取向性的纳米线阵列。基于所生长硒化铟纳米线，进一步制备了光电探测晶体管，并展现出优异的光电响应，光响应和比探测率分别达到271 A·W^-1和1.57x10¹⁴Jones，响应时间达到微秒量级。优异的光电响应特性表明所生长的硒化铟纳米线有望应用于未来的高性能光电探测。此工作所提出的边界同质外延法也为硅基底上直接生长半导体纳米线阵列开拓一个可行的途径。

该工作以“Edge-Epitaxial Growth of InSe Nanowires toward High-Performance Photodetectors”为题，于近日（2019年12月23日）发表在材料领域重要期刊《Small》上(DOI: 10.1002/smll.201905902)。该论文的第一作者是南京大学物理学院博士后郝松（已出站）和博士研究生闫胜楠，通讯作者是南京大学缪峰教授与梁世军副研究员。该工作还得到了中科院技术物理所胡伟达研究员课题组、南京大学王肖沐教授课题组、东南大学孙立涛教授课题组及中科院半导体所谭平恒研究员课题组的大力支持和协助。该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心的支持，以及国家杰出青年科学基金、滚球体育 部“量子调控”国家重大科学研究计划（青年科学家专题）项目、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费和中国博士后科学基金等项目的资助。

图文导读

图一、InSe纳米线的直接生长

(a）通过PVD法制备InSe纳米线示意图。(b, c) InSe纳米片和纳米线的光学显微镜图。 (d) 纳米线的扫描电镜图。 (e) 纳米线与某一边界所成角度的统计图，表现出较强的取向性。(f, g) 所生长样品的XPS窄扫描图谱。（h-j）高分辨透射电镜图、傅里叶变换和选区电子衍射图。

图二、InSe纳米线的结构表征

(a, b) 所合成纳米片和纳米线的光致发光和拉曼图谱。(c) 纳米片和纳米线的A¹_1g峰的拉曼强度图。(d, e) 大尺寸和高倍原子力显微镜形貌图。(f) 原子力显微镜形貌图沿黑色实线的高度剖面图。

图三、纳米线的边界同质外延生长机制

(a-d) 纳米片与纳米线的扫描电镜图、EDS图以及对应的能谱图。 (e) 边界同质外延生长纳米线阵列的机理示意图。

图四、纳米线的电子器件性质

(a）纳米线基场效应晶体管的输出特性曲线，表现出较好的界面接触。 (b) 纳米线基晶体管在0.5V偏压下的转移特性曲线。 (c, d) 纳米线基场效应晶体管随时间变化的输出和转移特性曲线，可见氩气中退火可部分恢复器件的性能。

图五、纳米线的光电器件性能

(a) 单个纳米线基光电探测器示意图。(b) 纳米线基光电探测器在零栅压下对不同功率的520 nm激光响应的输出特性曲线。(c)光电流与所激发光功率的关系图。(d) 随激发光功率变化的光响应和比探测率的关系图。(e, f)纳米线光电器件的上升和下降时间。(g) 纳米线基光电器件的工作机理。

小结

本工作通过边界同质外延的方法直接在SiO₂/Si基底上合成出InSe纳米线阵列。不同于传统的VLS方法，此方法克服了昂贵单晶衬底和晶格失配的挑战，同时避免了金属催化剂对所生长纳米线结构与性能的影响。进一步，此工作基于所生长InSe纳米线制备了光电探测器件，并表现出优异的光电相应特性。其光响应达到271 A/W,比探测率达到1.57×10¹⁴Jones，同时具备超快光响应速度（上升速度119 μs，下降速度116 μs）。此合成纳米线方法可以与现有硅技术兼容，为实现下一代基于纳米线的光电器件提供了新的思路。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201905902

缪峰课题组主页：https://nano.nju.edu.cn

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