多組元半導體納米材料的生長設計與光電性能調(diào)控研究獲進展

  半導體納米材料兼具半導體材料和納米材料的諸多優(yōu)良光電性能，廣泛地應用在微小尺寸晶體管、二極管、高靈敏度光電探測器、高性能太陽能電池、氣體傳感和清潔能源制備等領域，是近年來納米材料領域研究的熱點之一。但由于本征半導體材料光學和電學性能單一，帶隙固定，其應用受到限制。將成分不同、光電性能差異明顯的半導體納米材料進行異質(zhì)生長和相互固溶，形成尺寸、形貌及成分可調(diào)的多組元異質(zhì)結(jié)和固溶體納米材料，就可以有效地調(diào)控半導體的禁帶寬度、發(fā)光波長、電輸運等性能，為半導體納米材料的光電性能調(diào)控提供新的思路。

　　基于結(jié)構(gòu)及晶格匹配原理、充分考慮化學性能相近性及控制化學氣相沉積反應過程，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯(lián)合)實驗室功能薄膜與界面研究部研究員姜辛和劉寶丹，通過巧妙的實驗設計，先后實現(xiàn)了GaP-ZnS和GaP-ZnSe不同二元半導體材料之間的相互固溶（圖1），并且發(fā)現(xiàn)當少量ZnS進入GaP晶格形成偽二元固溶體納米線之后，會引起電阻的急劇增加，誘導GaP納米線由半導體向絕緣體轉(zhuǎn)變；而ZnSe進入GaP晶格之后會引起GaP帶隙收縮，當ZnSe含量在x= 0.182-0.209區(qū)間變化時，GaP-ZnSe偽二元固溶體的禁帶寬度在1.95eV—2.2 eV內(nèi)連續(xù)可調(diào)，發(fā)光波長在550nm—650nm內(nèi)連續(xù)變化（圖2）。此外，通過進一步控制ZnS在GaP母相晶格中出現(xiàn)超飽和現(xiàn)象，又成功制備出GaP-ZnS核殼異質(zhì)結(jié)納米材料。這些成分與帶隙可調(diào)、光電性能可控的多組元固溶體和異質(zhì)結(jié)納米材料是制備高性能光電納米器件的理想材料。相關成果發(fā)表在Nano Letters (2013,13, 85−90)，Adv. Funct. Mater (2015, 25, 2543–2551)和ACS Appl. Mater. Interfaces (2013, 5, 9199−9204)上。

　　最近，他們同材料特種制備與加工研究部研究員張勁松、姜春海合作，以SiC納米線做模板，充分利用立方3C-SiC納米線層錯區(qū)域表面能高的特點來誘導六方GaN在3C-SiC缺陷區(qū)域的優(yōu)先形核，成功地制備出立方碳化硅和六方氮化鎵的異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)（3C-SiC/WZ-GaN）。進一步控制不同階段生長過程，可以在SiC納米線表面獲得周期性分布的GaN六棱錐及3C-SiC/WZ-GaN核殼等形貌多變的異質(zhì)結(jié)納米結(jié)構(gòu)。這些具有獨特結(jié)構(gòu)和功能的半導體異質(zhì)結(jié)納米材料將為構(gòu)建新型光電納米器件如場效應管、光電探測器提供理想的模型材料。相關結(jié)果全文正式在線發(fā)表在美國化學會期刊《納米快報》（Nano Letters 2015, 15, 7837−7846. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02454)上。

　　以上研究成果得到了國家自然科學基金、金屬所“優(yōu)秀學者”項目、金屬所創(chuàng)新基金重點項目和中科院青年創(chuàng)新促進會項目的資助。

　　圖1. (GaP)_x(ZnS)_1-x納米線：(a) STEM照片及(b-f)各元素成分空間分布圖；(g)納米線徑向及(h)軸向線掃描結(jié)果

　　圖2. (a)不同名義成分(GaP)_1-x(ZnSe)_x納米線光學照片；(b,c) (GaP)_1-x(ZnSe)_x納米線發(fā)光波長、帶隙寬度與成分間的關系

圖3. WZ-GaN/3C-SiC異質(zhì)結(jié)納米線生長模型圖