硅锗纳米材料的无污染生长制备与磁电性能研究

Recently, SiGe nanowires have been extensively studied due to their excellent optical, electrical and thermal properties and their compatibility with modern silicon technologies. However, most of the growth techniques use metal catalyst involved VLS methods which unavoidably introduce pollutants in the samples, and the studies have been mainly focused on optical, electrical and thermal properties, while spin-dependent studies are very rare which is surprising because SiGe nanowires have physical basis and application potentials for spin transport and manipulation. Based on these facts, we propose to use catalyst-free growth techniques (thermal evaporation and single-mode microwave plasma CVD) and other pollutant-cleaning techniques to fabricate SiGe nanostructures (nanowires and nanoribbons etc.), explore effective ways to dope magnetic elements into SiGe nanostructures, and study the effect of components of Si and Ge, distribution and concentration of magnetic elements, defects on the spin dependent properties. If we can modulate and improve the magnetic properties of SiGe nanostructures, while maintaining the excellent optical and electrical properties, then new types of Si-based nanomaterials combining optical、electrical and magnetic functionalities can be realized. We believe that the result of this project will be valuable to both basic research and potential applications of SiGe nanostructures as spintronic materials and devices.

硅锗纳米线因其优良的光电热等性能和与现有硅技术兼容性强的特点，近年来受到广泛研究. 但目前其生长制备方法主要以含有金属催化剂的VLS生长法为主，不可避免的会引入金属催化原子的污染；而且其物性研究以光电热为主，但与自旋相关特性的研究罕见，而事实上硅锗纳米线具备自旋输运与调控的物理基础和应用前景. 有鉴于此，我们拟采用无催化剂生长法和其他有效去除污染的方法，制备硅锗纳米材料（纳米线与纳米带等），探索将各种磁性元素有效掺入硅锗纳米材料之中的方法，并研究硅锗成分比例、掺杂磁性元素分布与浓度、缺陷等对硅锗纳米材料的磁电性能与其他自旋相关性质的影响. 若能在保持硅锗纳米材料优良光电性能的同时，实现对磁电性能的调控与改善，则有望获得集优良磁、电、光特性于一体的新型硅基纳米材料。我们相信，本项目将对硅锗纳米材料在自旋电子材料领域的基础研究与实际应用有重要价值.

本项目采用无污染方法制备硅锗纳米材料，并研究磁性掺杂对其磁电、光电及其他自旋相关性质的影响，本项目研究成果对硅锗纳米材料在自旋电子材料领域的基础研究和未来应用提供有益参考。本项目分为如下几个部分：（一）基于硅锗纳米材料的无污染制备。无催化剂热蒸发法在制备无污染高品质大产量的第四族纳米线方面具独特优势。经过仔细摸索实验参数，我们率先用无催化剂法成功制备出锰元素掺杂的硅锗纳米线，并对其结构进行表征，确认其为非晶纳米线，且锰元素均匀掺杂于纳米线内部。优化生长中，我们获得掺锰纳米点嵌入二氧化硅纳米线新颖结构。通过六族元素掺杂，我们在硅衬底上制备出高密度分布的锗硒单晶三角纳米片阵列和高产率锗硒多层耦合层压结构，此类新颖结构在层状纳米电子和光电器件设计和制造方面具应用前景。（二）基于硅锗纳米材料的物理性能：（1）掺锰硅锗纳米线的光电与磁性。因锰与锗外层电子间强的自旋耦合作用，锰掺杂在硅锗纳米线中引入磁性。理论研究表明，锰掺杂的硅锗纳米线具铁磁性，其磁序稳定性、能带类型、带隙宽度与光吸收特性随成份敏感变化。实验研究表明，锰掺杂的硅锗纳米线具室温铁磁性，其饱和磁化强度比非晶硅锰纳米薄膜大一个数量级；其光学带隙3.9eV，光致发光峰明显蓝移，这些特性归因于其结构的短程有序、长程无序特点。（2）纳米点对纳米线光学性能的重要影响。掺锰纳米点的嵌入导致二氧化硅纳米线具独特多重光致发光特性。（3）锗硒新颖结构发光特性。锗硒三角片阵列与多层耦合层压结构具相似光致发光谱。在近红外区具二发光峰，主峰来自锗硒带边，次峰来自晶格缺陷。（4）硅锗薄膜的能带结构和光电特性。二维蜂窝结构硅锗元素间具无限混溶性，其载流子有效质量低，带隙与硅锗比例间具非线性振荡依赖关系。（5）不同官能团表面钝化可打开锗硒纳米带金属性带隙，可调制禁带宽度和光电性能（6）不同轻原子表面吸附和过渡金属掺杂可调制锡硒单分子膜光电性质与磁性