物性可调一维纳米结构单基片集成化生长及其相关新型器件的研究

半导体的组分决定了半导体的性质和应用。新型可调谐半导体光电器件的实现要求不同带隙（功能）的半导体在单基片上的集成。在材料生长上，本项目将打破传统薄膜外延生长技术在晶格匹配上的限制，拟采用金属催化的纳米线生长技术，通过一种改进的CVD生长路线，实现系列组分(能隙)大范围可调的一维合金半导体纳米结构在单一基片上空间有序的集成化生长。在物性研究上，对合成的集成化多功能纳米结构进行其空间和组分依赖的物性和结构表征。并将结合理论模拟和微区光学实验，认识合金纳米线微腔中的波导和增益行为、一维半导体纳米结构的光敏特性和光伏效应等基本物理问题，及其随纳米线合金组分和尺寸（长度和直径）之间的演变规律。并以这种新型的单基片功能纳米结构为平台，探索波长大范围可调谐纳米线激光器，宽频谱超灵敏光子探测器和平面多结全谱太阳能电池等新型光电子器件的开发和研究。

新型可调谐半导体光电器件要求不同带隙的半导体在单一空间上的集成。本项目采用金属催化的源移动式CVD生长路线，实现了系列组分大范围可调的一维合金半导体纳米结构在单一基片上空间有序的集成化生长和波长大范围可调谐纳米线激光器。将多组分空间集成纳米结构从单基片扩展到单纳米结构上并成功实现了组分沿纳米线长度方向连续可调的超晶格纳米结构和波长选择性纳米光波导，纳米白光光源，纳米光二极管等纳米光集成器件和体系的设计和制造。本项目开展的非常顺利，在规定时间内圆满完成了预期目标，取得了丰硕的科研成果：（1）发表SCI收录论文30篇 （Scientific Reports 1篇，Nano Lett. 3篇，JACS 2篇，Adv. Mater. 1篇，ACS Nano 1篇）；（2）获得省部级自然科学一等奖1项（3）申请美国专利1项。项目取得的标志性成果如下：.一)发现了一种双梯度空间组分定位法，成功实现了组分宽带连续可调的一维合金纳米线在单芯片上的原位集成生长。［Adv. Mater. 24, 13, 2012］.二)以合成的多功能半导体集成芯片为材料平台，成功实现了调谐范围横跨500到700纳的纳米线激光器，以及在二维空间上光发射颜色图案的调控。［Adv. Mater. 24, 13, 2012］.三)将空间能带梯度可调纳米结构的生长技术从单基片扩展到单纳米线上，实现了基于单纳米线轴向能带调控的连续超晶格纳米结构。［JACS, 133, 2037, 2011］，并在此基础上通过纳米线轴向“红、绿、蓝”三种基本发光片段长度的有效调控，成功实现了基于单纳米线的高质量白光发射光源［Nano Lett. 11, 5085, 2011］。.四)系统研究了组分梯度纳米线的光波导特性，并首次实现了基于纳米线的波分器件［Nano Lett. 12, 5037, 2012]和光的非对称传输，为实现纳米线光二极管（单向传输）提供了崭新的思路［Sci. Rep. 2, 820, 2012］。.五)通过能带设计首次生长了II-VI与III-V族四元合金GaZnSeAs纳米线，及其在单基片上的集成技术，并成功实现能带和发光在大范围内的连续可调。 [Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, DOI: 10.1039/c2cp43718j]。