半导体核-壳异质结纳米线生长的热力学理论

The core-shell nanowire(NW) heterostructure has been the fundamental building blocks of semiconductor NW optoelectronic device currently, because of the adjustable band structure and high charge carrier mobility. However, the surface roughening would destroy the performance of the device. Hence, the controllable growth of high-quality semiconductor core-shell NW heterostructure becomes to be a challenge to the experimental and theoretical research. This project proposed a thermodynamic theory to address the growth of semiconductor core-shell NW heterostructure, focus on the influence of composition, multishell and temperature. Specifically, the change of shell growth mode induced by various composition and the critical shell thickness of surface roughening would be investigated to clarify the physical mechanism of composition dependent growth of semiconductor core-shell NW heterostructure; The multishell structure, induced the strain relaxation in the shell, can lead to the surface roughening of core-shell NW heterostructure. The physical understanding of the multishell dependent surface roughening would be illuminated by studying the influence of multishell; The thermal stability of core-shell NW heterostructure and the temperature dependent surface roughening behavior can be investigated to reveal the physical rules to control the appearance and morphology of surface roughening by temperature. The achievement of this project would elucidate the physical mechanism of composition, multishell and temperature dependent growth of core-shell NW heterostructure, and furnish a theoretical basis to experimentally control the epitaxial growth of high-quality core-shell NW heterostructures.

半导体核-壳异质结纳米线由于能带结构可调及高的载流子迁移率而成为目前构造半导体纳米线光电器件的基本结构单元。然而表面粗化现象会影响其性能发挥，因此无粗化半导体核-壳异质结纳米线的可控生长就成为实验和理论研究所面临的一个挑战。本项目开展半导体核-壳异质结纳米线生长的热力学理论研究，重点研究“组分掺杂、多壳层构成和温度控制”三方面对核-壳纳米线生长的影响。具体而言，通过研究组分掺杂导致的壳层生长模式变化及表面粗化临界壳层厚度，阐明组分掺杂影响核-壳纳米线生长的物理机制；通过研究多壳层引起的应变弛豫及其导致的壳层表面粗化，阐明多壳层表面粗化的物理本质；通过研究温度调控核-壳纳米线热稳定性及表面粗化形貌，阐明温度影响核-壳纳米线生长及表面粗化的物理规律；本项目研究结果将揭示“组分掺杂、多壳层及温度控制”半导体核-壳纳米线生长的物理机制，为高质量无粗化半导体核-壳异质结纳米线的可控生长提供理论依据。

由于具有可调的能带结构及高载流子迁移率，半导体核-壳异质结纳米线是目前最具潜力的纳米线光电器件基本结构单元。然而，核-壳纳米线表面粗化的出现会破坏核壳结构，并影响性能发挥，因此高质量的核-壳纳米线的可控生长是实验和理论上所面临的巨大挑战。本项目研究了组分掺杂、多壳层构成及温度调控三方面对核-壳纳米线生长及表面粗化的影响。首先，针对组分掺杂，建立了合金壳层核-壳纳米线热力学理论模型，获得了壳层组分和壳层厚度相关的表面粗化相图，打破了高质量核-壳纳米线的尺度限制；第二，针对多壳层，建立了多壳层核-壳纳米线热力学理论模型，分析了两层壳层在纳米线衬底上的应变分布，并获得了两层壳层相对厚度及纳米线半径相关的表面粗化相图，为高质量核-壳纳米线制备提供了新的思路；第三，针对温度效应，以核-壳纳米线表面粗化的起源-成核为研究对象，在经典成核理论的基础上引入热波动，建立了加入量子力学及统计力学的热力学理论模型，成功的阐明了温度对表面能密度、成核速率的调控机理，以及在成核过程、纳米结构生长过程中的温度效应。基于对组分掺杂、多壳层构成及温度调控在核-壳纳米线生长过程中的影响，本项目成功的阐明了一维结构核-壳异质结纳米线的生长的物理机制及其粗化机制，为实验提供了有效信息。此外，针对二维结构的生长，本项目还研究了石墨烯嵌入式二维碳膜在低能电子照射下的生长机理，并证明了电子照射能量与石墨烯含量的关系。同时，还发现了石墨烯嵌层对提高薄膜电化学性能具有重要作用。上述研究成果为理论上研究更多复杂纳米结构生长的物理机制奠定了基础，同时为实验上高质量制备提供了可靠信息。