无氨法制备高质量III族氮化物纳米线及其表面/界面调控机制研究

III nitride nanowire has a very important application prospect in the next generation micro-nano devices of laser, sensing and energy. However, high cost and heavy pollution in preparation has seriously hampered applications and development of its device at the present time. The project intends to develop environment-friendly , low-cost non-ammoniated method of ionized nitrogen for the controlled growth of high -quality III nitride nanowires, and based on surface/interface characteristic, proposes the universal models of atomic-scale controlled growth and performance prediction for nanwires. Experimentally, from systematic studies on the surface/ interface behavior and theirs control methods in growth process for nanowires with non-ammoniated environment and conditions , it will find out the migration and reactivity of N ions in non-ammonia preparation, and explore the key parameters and conditions of non- ammoniated controlled growth for high quality GaN, BN and AlN nanowires. Theoretically, by the combination of experimental parameters , it will build the surface/interface dynamic evolution model in the VLS growth of nanowires, and set up the universal models of atomic-scale controlled growth for the III -nitride nanowires extending to other nanowires, then to explore the prediction schemes of their photoelectric performance. From the evolution of surface/interface in nanowire, this project will in-depth clarifies the driving mechanism of the non- ammoniated growth of nanowires, hopes to supply a good research foundation of the controlled growth and devices design of the high-quality III-nitride nanowires.

III氮化物纳米线在激光、传感与能源等新一代微纳器件中具有十分重要的应用前景，但目前高成本重污染的制备方法严重制约了其器件应用与发展。本项目拟发展环境友好、成本低廉的基于氮气离子化的无氨法实现高质量III族氮化物纳米线可控生长，并建立基于表面/界面调控的普适纳米线生长及其物性预测模型。实验上，通过系统研究无氨生长环境下纳米线生长过程中的表面/界面结构特征及调控方法，推演无氨环境下N离子的迁移规律与反应特性，探索高质量GaN、BN及AlN纳米线的无氨法可控制备的关键参数与条件。理论上，结合实验参数，构建纳米线生长过程中的表面/界面动态演化模型，建立起适用于III族氮化物并可拓展到其它体系的纳米线原子级可控生长模型，并探索结构对性能的影响规律。本项目期望从纳米线的表面/界面演化中澄清无氨法生长的驱动机理，最终为高质量III族氮化物纳米线可控生长及其器件设计提供可靠的技术方案与理论储备。

III族氮化物纳米线在激光、传感与能源等新一代微纳器件中具有十分重要的应用前景，但目前高成本重污染的制备方法严重制约了其器件应用与发展。本项目通过发展环境友好、成本低廉的基于氮气离子化的无氨法实现高质量III族氮化物纳米线可控生长，并建立基于表面/界面调控的普适纳米线生长及其物性预测模型。实验上，通过系统研究无氨生长环境下纳米线生长过程中的表面/界面结构特征及调控方法，探索高质量III族氮化物纳米线的无氨法可控制备的关键参数与条件。理论上，构建纳米线生长过程中的表面/界面动态演化模型，并探索结构对性能的影响规律。通过项目的研究开展，澄清了III族氮化物纳米线无氨法生长过程中的表面/界面动态演化规律；发展出可器件应用的高质量III族氮化物纳米线环境友好、成本低廉的结构可控的制备新方法；建立III族氮化物纳米线无氨可控生长机制及其物性预测模型。实验发展了一种新的工艺简单、成本低廉基于嵌入挛晶自模板无催化单根纳米线外延生长方法，完善了PECVD方并拓展了MPCVD方法并实现了氮化物纳米线快速生长与结构调控，所制备的纳米线的直径及截面结构及长度可调控，实现了环境友好、工艺简单的氮化物纳米线可控制备方法。所制备出来的GaN纳米线，结晶性好，形貌均一；纳米线的长度可从几微米到几十微米、直径可从50nm到200nm、截面可六棱柱到三菱锥进行可控调控。通过理论探索了表面与界面对其纳米线生长的影响及其纳米结构表面生长动力学行为，发现了GaN表面生长的微观机制及其台阶生长模式并阐明了其在不同化学环境下的生长机制，为氮化物纳米线无氨化生长的表面/界面演化规律及其生长机制与物性预测提供了良好的理论方法与研究手段。通过研究项目开展，也取得了系列较重要的进展与突破。本项目的完成将为高质量III族氮化物纳米线可控生长及其器件设计提供可靠的技术方案与理论储备。