半導體核-殼異質結納米線生長的熱力學理論

《半導體核-殼異質結納米線生長的熱力學理論》是依託深圳大學，由曹媛媛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：半導體核-殼異質結納米線生長的熱力學理論
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：曹媛媛
• 依託單位：深圳大學

項目摘要

半導體核-殼異質結納米線由於能帶結構可調及高的載流子遷移率而成為目前構造半導體納米線光電器件的基本結構單元。然而表面粗化現象會影響其性能發揮，因此無粗化半導體核-殼異質結納米線的可控生長就成為實驗和理論研究所面臨的一個挑戰。本項目開展半導體核-殼異質結納米線生長的熱力學理論研究，重點研究“組分摻雜、多殼層構成和溫度控制”三方面對核-殼納米線生長的影響。具體而言，通過研究組分摻雜導致的殼層生長模式變化及表面粗化臨界殼層厚度，闡明組分摻雜影響核-殼納米線生長的物理機制；通過研究多殼層引起的應變弛豫及其導致的殼層表面粗化，闡明多殼層表面粗化的物理本質；通過研究溫度調控核-殼納米線熱穩定性及表面粗化形貌，闡明溫度影響核-殼納米線生長及表面粗化的物理規律；本項目研究結果將揭示“組分摻雜、多殼層及溫度控制”半導體核-殼納米線生長的物理機制，為高質量無粗化半導體核-殼異質結納米線的可控生長提供理論依據。

結題摘要

由於具有可調的能帶結構及高載流子遷移率，半導體核-殼異質結納米線是目前最具潛力的納米線光電器件基本結構單元。然而，核-殼納米線表面粗化的出現會破壞核殼結構，並影響性能發揮，因此高質量的核-殼納米線的可控生長是實驗和理論上所面臨的巨大挑戰。本項目研究了組分摻雜、多殼層構成及溫度調控三方面對核-殼納米線生長及表面粗化的影響。首先，針對組分摻雜，建立了合金殼層核-殼納米線熱力學理論模型，獲得了殼層組分和殼層厚度相關的表面粗化相圖，打破了高質量核-殼納米線的尺度限制；第二，針對多殼層，建立了多殼層核-殼納米線熱力學理論模型，分析了兩層殼層在納米線襯底上的應變分布，並獲得了兩層殼層相對厚度及納米線半徑相關的表面粗化相圖，為高質量核-殼納米線製備提供了新的思路；第三，針對溫度效應，以核-殼納米線表面粗化的起源-成核為研究對象，在經典成核理論的基礎上引入熱波動，建立了加入量子力學及統計力學的熱力學理論模型，成功的闡明了溫度對表面能密度、成核速率的調控機理，以及在成核過程、納米結構生長過程中的溫度效應。基於對組分摻雜、多殼層構成及溫度調控在核-殼納米線生長過程中的影響，本項目成功的闡明了一維結構核-殼異質結納米線的生長的物理機制及其粗化機制，為實驗提供了有效信息。此外，針對二維結構的生長，本項目還研究了石墨烯嵌入式二維碳膜在低能電子照射下的生長機理，並證明了電子照射能量與石墨烯含量的關係。同時，還發現了石墨烯嵌層對提高薄膜電化學性能具有重要作用。上述研究成果為理論上研究更多複雜納米結構生長的物理機制奠定了基礎，同時為實驗上高質量製備提供了可靠信息。