悉尼大学郑荣坤Advanced Materials: 半导体纳米线材料重大进展！

【引言】

半导体纳米线因其优秀特性而广泛用于微电子，光电子，光伏电等方面。而目前工业界纳米线的制造采用的是一种自上而下的方式，即通过传统半导体工艺刻蚀出所需尺寸的纳米线。但这种工艺过程复杂，所需环节较多，成本较高。

而另一种自下而上的基于汽液固相生长方式因其经济性受到了广泛关注与研究。然而在合成过程中，由于影响纳米线生长的因素较多并且尺度太小，因此造成了研究纳米线生长热平衡过程中原子行为的困难。而掌握元素在纳米线生长过程中的行为尤其是复杂结构三元纳米线尤为重要，因为这是纳米线可控性合成的前提，而针对不同的应用，所合成的纳米线需要不同的特性。因此学者和科学家在该领域进行了深入的研究。

【成果简介】

近日，悉尼大学郑荣坤副教授（通讯作者），第一作者屈江涛博士与团队成员克服了半导体纳米线的原子级别成分探测的难题，通过使用三维原子探针技术和第一性原理计算在原子级别，揭示并解释了III-V族 InGaAs纳米线形貌和元素成分的演变过程。其研究表明InGaAs纳米线自发形成壳层结构，其中In富集在壳层，Ga富集在中心核层。同时In向壳层扩散与Ga向中心核层扩散导致中心核层从六边形向Reuleaux三角形转变。另外不规则六边形壳层在{112}A和{112}B上存在不同生长速度。该研究将为半导体纳米线的生长调控提供研究基础。该研究成果以“3D Atomic-Scale Insights into Anisotropic Core-Shell-Structured InGaAs Nanowires Grown by Metal-Organic Chemical Vapor Deposition”为题刊登在2017年6月19日出版的Advanced materials上。

【图文导读】

图1：InGaAs纳米线形貌

a) 整根纳米线的透射电子显微镜 （TEM）图片

b) Au/纳米线的高分辨TEM图片

c) 纳米线的壳层结构的扫描透射电子显微镜（STEM）图片

d) 纳米线的壳层结构的高分辨TEM图片

e) 和 f) 壳层和中心核层的选取衍射图谱

图2：整根纳米线三维原子探针的轴向数据分析

a) 和 b) 三维原子探针实验之前的纳米线形貌

c) 和 d) 三维原子探针实验之后的纳米线形貌

e) 这根纳米线和沿轴向切开的三维原子探针重构图 （黄色原子为Ga原子，紫色原子为In原子）

f) 纳米线的原子空间分布图 （沿<111>轴面间距为326纳米）

g) 三维原子探针探测器的显示图

h) 沿z方向在中心核层，{112}A，和{112}B上的In/(In+Ga)的比值分布图

图3：整根纳米线三维原子探针的径向数据分析

a) 整根纳米线的SEM形貌及其不同位置的核形模

b) 所对应的三维原子探针重构图

c), d),和e) 距离纳米线顶部50纳米，1100 纳米，和2400纳米的横截面的Ga原子和In原子的分布图

f) 沿径向方向距离纳米线顶部50纳米，1100 纳米，和2400纳米的横截面的In/(In+Ga)的比值分布图

图4：第一性原理计算

随着不同In的含量所对应的In形成在InGaAs的{112}A，和{112}B上的形成能

图5：中心核层和壳层的形成示意图

a) 中心核层的形成示意图

b) 壳层的形成示意图

文献链接：3D Atomic-Scale Insights into Anisotropic Core-Shell-Structured InGaAs Nanowires Grown by Metal-Organic Chemical Vapor Deposition(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201701888)

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