悉尼大學鄭榮坤Advanced Materials: 半導體納米線材料重大進展！

【引言】

半導體納米線因其優秀特性而廣泛用于微電子，光電子，光伏電等方面。而目前工業界納米線的制造采用的是一種自上而下的方式，即通過傳統半導體工藝刻蝕出所需尺寸的納米線。但這種工藝過程復雜，所需環節較多，成本較高。

而另一種自下而上的基于汽液固相生長方式因其經濟性受到了廣泛關注與研究。然而在合成過程中，由于影響納米線生長的因素較多并且尺度太小，因此造成了研究納米線生長熱平衡過程中原子行為的困難。而掌握元素在納米線生長過程中的行為尤其是復雜結構三元納米線尤為重要，因為這是納米線可控性合成的前提，而針對不同的應用，所合成的納米線需要不同的特性。因此學者和科學家在該領域進行了深入的研究。

【成果簡介】????????????????????????????????????????

近日，悉尼大學鄭榮坤副教授（通訊作者），第一作者屈江濤博士與團隊成員克服了半導體納米線的原子級別成分探測的難題，通過使用三維原子探針技術和第一性原理計算在原子級別，揭示并解釋了III-V族 InGaAs納米線形貌和元素成分的演變過程。其研究表明InGaAs納米線自發形成殼層結構，其中In富集在殼層，Ga富集在中心核層。同時In向殼層擴散與Ga向中心核層擴散導致中心核層從六邊形向Reuleaux三角形轉變。另外不規則六邊形殼層在{112}A和{112}B上存在不同生長速度。該研究將為半導體納米線的生長調控提供研究基礎。該研究成果以“3D Atomic-Scale Insights into Anisotropic Core-Shell-Structured InGaAs Nanowires Grown by Metal-Organic Chemical Vapor Deposition”為題刊登在2017年6月19日出版的Advanced materials上。

【圖文導讀】

圖1：InGaAs納米線形貌

a) 整根納米線的透射電子顯微鏡 （TEM）圖片

b) Au/納米線的高分辨TEM圖片

c) 納米線的殼層結構的掃描透射電子顯微鏡（STEM）圖片

d) 納米線的殼層結構的高分辨TEM圖片

e) 和 f) 殼層和中心核層的選取衍射圖譜

圖2：整根納米線三維原子探針的軸向數據分析

a) 和 b) 三維原子探針實驗之前的納米線形貌

c) 和 d) 三維原子探針實驗之后的納米線形貌

e) 這根納米線和沿軸向切開的三維原子探針重構圖 （黃色原子為Ga原子，紫色原子為In原子）

f) 納米線的原子空間分布圖 （沿<111>軸面間距為326納米）

g) 三維原子探針探測器的顯示圖

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

圖3：整根納米線三維原子探針的徑向數據分析

a) 整根納米線的SEM形貌及其不同位置的核形模

b) 所對應的三維原子探針重構圖

c), d),和e) 距離納米線頂部50納米，1100 納米，和2400納米的橫截面的Ga原子和In原子的分布圖

f) 沿徑向方向距離納米線頂部50納米，1100 納米，和2400納米的橫截面的In/(In+Ga)的比值分布圖

圖4：第一性原理計算

隨著不同In的含量所對應的In形成在InGaAs的{112}A，和{112}B上的形成能

圖5：中心核層和殼層的形成示意圖

a) 中心核層的形成示意圖

b) 殼層的形成示意圖

文獻鏈接：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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