新型纳米光电材料-硼，磷掺杂的IV-IV族复合半导体纳米线的制备与性能研究

半导体纳米线以其微小尺度和新颖的物理特性在组建新一代纳米半导体器件方面有巨大的应用前景。IV-IV族复合材料，例如硅锗合金，相比硅在光、电方面具有更优良的材料性能。但是国际上对于IV-IV族复合半导体纳米线的研究却很少。这是因为其生长机制复杂，生长条件的摸索还处于初期阶段，并且几乎找不到现成的生长理论来指导。因此探索IV-IV族复合半导体纳米线的合成与生长机制的研究十分必要。本工作拟采用热蒸发-氧化物辅助生长法制备IV-IV族硅锗合金纳米线，并对其生长机理和物理特性进行研究，为该类新光电材料的进一步开发和应用提供实验依据。此外，硼，磷等元素的掺杂可改善纳米线中的载流子浓度及半导体类型，从而明显提高纳米线的电子输运，场发射等性能。本工作也将对硼，磷掺杂的IV-IV族硅锗合金纳米线的制备以及掺杂对纳米线物理性能的影响进行探索和研究。

本项目的主要工作以第IV族半导体纳米结构为研究对象，旨在通过研究基于第IV族半导体的各种纳米线的制备，以及有关纳米线的物理性能，特别是光电性能，为第IV半导体纳米线的的基础研究和未来应用提供有益参考。具体而言，本项目工作分为如下几个部分.（一）.基于第IV族半导体的纳米线的制备：通过广泛深入文献调研，我们发现无催化剂热蒸发法在制备无污染高品质大产量的第IV族纳米线方面具备独特优势，但鲜有报道。经过仔细摸索实验参数，我们率先用无催化剂法生长出直径为2 nm的超细硅纳米线，并对其结构进行表征，确认其为单晶纳米线。因 2 nm小于硅中的激子玻尔半径 5 nm，故超细纳米线预期会具备较强的量子效应，从而具有独特的光电性能。我们多次尝试生长硅锗纳米线的实验未能获得成功，这可能与硅和锗源的升华温度以及与硅基底表面结合能差异较大有关，也是从未见诸实验报道的可能原因。通过调整生长设置为势阱形，我们获得了笋型的二氧化硅纳米线，检测表明其为非晶纳米线。经测试分析，我们发现非活跃原子团簇比例在生长过程中起关键作用且对纳米线光学性能有重要影响。.（二）.基于第IV族半导体纳米线的物理性能：（a）超细硅纳米线的光学性质与量子限制效应。光致发光谱出现明显蓝移；禁带宽度为3.2 eV；拉曼谱峰亦出现了较大移动和不对称展宽。这些都可由微小区域的量子限制效应与纳米线的尺度分布相结合完满解释。(b)二氧化硅纳米线中非活跃原子团簇的影响。在势阱形状的生长装置中，源蒸汽将出现回旋气流。非活跃原子团簇比例随着生长时间延长而增大，从而出现笋型纳米线以及纳米线表面的细微结构并影响光致发光谱(c)硅锗纳米线中的非线性电光性质与锗的浓度。硅锗合金纳米线中的锗原子倾向于分布于纳米线内部，且纳米线的禁带宽度与光学性质随锗浓度出现非线性变化。(d)硅锗纳米线中的硼磷掺杂的影响。 硼在纳米线的表面更加稳定，磷则优先分布在纳米线的内部，硼主要对能带结构的价带边有作用，磷则对导带边有明显贡献。硅锗纳米线的电光学性质受到硼磷共掺杂巨大影响。（e）硅锗纳米线的能带色散关系与外加电场关系。外加电场可使其在直接带隙与间接带隙之间来回转换，且可调制光学性质。(f)硅锗纳米线的功能团钝化与光电性能的关系。不同功能团钝化硅锗纳米线表面，可以调制禁带宽度，且影响光电性能。（g）硅烯纳米带的空位与过渡金属掺杂对物性的影响。