南京大學繆峰課題組利用邊界同質外延法 在取向生長半導體納米線領域取得重要進展

背景介紹

半導體納米線因一維結構所導致的限域效應和優異的物理性質，在電子和光電子器件、傳感器和柔性器件等領域具有廣泛的應用前景。發展與硅技術集成的納米線陣列生長技術對實現納米線在器件領域的應用具有關鍵作用。通常，汽-固法和氣-液-固法是生長一維半導體納米線的兩種常用方法。由于均相成核的隨機性，汽-固法直接在硅基底上所生長的納米線面臨雜亂和隨機取向生長的問題，這導致此方法所生長的納米線很難與目前的電子電路進行有效集成。氣-液-固方法利用金屬催化劑輔助生長，可以有效克服隨機取向的問題，被廣泛應用于合成半導體納米線。但是，金、銀等金屬催化劑促進納米線生長的同時，也會在納米線晶格內引入深能級缺陷。這些深能級缺陷作為復合中心會嚴重影響納米線的光電性質，進而損害其電學和光電器件的性能。此外，生長高質量半導體納米線平面陣列通常需要單晶基底，如藍寶石、氮化鎵和碳化硅等。這些單晶基底價格昂貴，而且時常面臨晶格失配的問題，限制了其廣泛應用。因此，有必要發展一種無需金屬催化劑和單晶基底的生長半導體納米線平面陣列的方法。

成果簡介

為了解決上述挑戰，南京大學物理學院的繆峰教授課題組開發出了一種無需金屬催化劑的邊界同質外延合成方法，首次直接在硅基底上生長出高長徑比的硒化銦納米線平面陣列。研究發現其生長機理是硒顆粒自驅動的氣-液-固生長模式，這區別于傳統的金屬催化劑驅動的生長方法。邊界同質外延生長納米線的生長機制為：在較低溫度下，首先生長出硒化銦的單晶納米片；隨溫度升高，少量分解產生的硒顆粒吸附在化學活性較高的納米片邊界；后續的硒化銦氣體分子與硒顆粒融合，達到飽和后不斷析出。由于晶格常數完全相同，所析出硒化銦分子在硒化銦納米片晶格導向作用下定向外延生長。最終，生長出與納米片邊界結合的取向性的納米線陣列。基于所生長硒化銦納米線，進一步制備了光電探測晶體管，并展現出優異的光電響應，光響應和比探測率分別達到271 A·W^-1和1.57x10¹⁴ Jones，響應時間達到微秒量級。優異的光電響應特性表明所生長的硒化銦納米線有望應用于未來的高性能光電探測。此工作所提出的邊界同質外延法也為硅基底上直接生長半導體納米線陣列開拓一個可行的途徑。

該工作以“Edge-Epitaxial Growth of InSe Nanowires toward High-Performance Photodetectors”為題，于近日（2019年12月23日）發表在材料領域重要期刊《Small》上(DOI: 10.1002/smll.201905902)。該論文的第一作者是南京大學物理學院博士后郝松（已出站）和博士研究生閆勝楠，通訊作者是南京大學繆峰教授與梁世軍副研究員。該工作還得到了中科院技術物理所胡偉達研究員課題組、南京大學王肖沐教授課題組、東南大學孫立濤教授課題組及中科院半導體所譚平恒研究員課題組的大力支持和協助。該項研究得到微結構科學與技術協同創新中心的支持，以及國家杰出青年科學基金、科技部“量子調控”國家重大科學研究計劃（青年科學家專題）項目、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費和中國博士后科學基金等項目的資助。

圖文導讀

圖一、InSe納米線的直接生長

(a）通過PVD法制備InSe納米線示意圖。(b, c) InSe納米片和納米線的光學顯微鏡圖。 (d) 納米線的掃描電鏡圖。 (e) 納米線與某一邊界所成角度的統計圖，表現出較強的取向性。(f, g) 所生長樣品的XPS窄掃描圖譜。（h-j）高分辨透射電鏡圖、傅里葉變換和選區電子衍射圖。

圖二、InSe納米線的結構表征

(a, b) 所合成納米片和納米線的光致發光和拉曼圖譜。(c) 納米片和納米線的A¹_1g峰的拉曼強度圖。(d, e) 大尺寸和高倍原子力顯微鏡形貌圖。(f) 原子力顯微鏡形貌圖沿黑色實線的高度剖面圖。

圖三、納米線的邊界同質外延生長機制

(a-d) 納米片與納米線的掃描電鏡圖、EDS圖以及對應的能譜圖。 (e) 邊界同質外延生長納米線陣列的機理示意圖。

圖四、納米線的電子器件性質

(a）納米線基場效應晶體管的輸出特性曲線，表現出較好的界面接觸。 (b) 納米線基晶體管在0.5V偏壓下的轉移特性曲線。 (c, d) 納米線基場效應晶體管隨時間變化的輸出和轉移特性曲線，可見氬氣中退火可部分恢復器件的性能。

圖五、納米線的光電器件性能

(a) 單個納米線基光電探測器示意圖。(b) 納米線基光電探測器在零柵壓下對不同功率的520 nm激光響應的輸出特性曲線。(c)光電流與所激發光功率的關系圖。(d) 隨激發光功率變化的光響應和比探測率的關系圖。(e, f)納米線光電器件的上升和下降時間。(g) 納米線基光電器件的工作機理。

小結

本工作通過邊界同質外延的方法直接在SiO₂/Si基底上合成出InSe納米線陣列。不同于傳統的VLS方法，此方法克服了昂貴單晶襯底和晶格失配的挑戰，同時避免了金屬催化劑對所生長納米線結構與性能的影響。進一步，此工作基于所生長InSe納米線制備了光電探測器件，并表現出優異的光電相應特性。其光響應達到271 A/W,比探測率達到1.57×10¹⁴ Jones，同時具備超快光響應速度（上升速度119 μs，下降速度116 μs）。此合成納米線方法可以與現有硅技術兼容，為實現下一代基于納米線的光電器件提供了新的思路。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201905902

繆峰課題組主頁：https://nano.nju.edu.cn

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