低维GaN表面微结构调控设计及其传感机理研究

The multifarious surface microstructure of low dimensional GaN has good ion / molecule sensitive properties, which has attracted great interest in the potential applications of novel nano sensor devices. This project will focus on the evolution and regulation of low dimensional GaN surface microstructure, from the relationship between the GaN surface microstructure and its sensing characteristics, based on designing, preparation and performance analysis of low dimensional GaN surface microstructure with good ion/molecule sensitivity, it will be explored and established for the surface sensing control model of a low dimensional GaN semiconductor exploration, and it can be used for flexible wearable devices with high sensitivity, high stability and high precision of low dimensional GaN micro sensing materials and devices. In theory, it will be studied systemically for the effect of structure, scale, polarization, impurities and defects on the microstructure of low dimensional GaN surface, and the Bacterial Colony optimization (BCO) algorithm based on density functional theory (DFT) computations will be developed to design low dimensional GaN surface with high response and high sensitivity of the ion/molecule, and it will be put forward for the effective prediction model of low dimensional GaN the surface of the ion / molecule sensing response; In experiment based on theoretical design, it will explore the control experiment method and technology scheme of the low dimensional GaN surface micro structure, then it will prepare the low dimensional GaN sensing material for high sensitivity detection of pH, H2 and CH4 and its flexible devices will be fabricated.

低维GaN丰富的表面微结构具有良好的离子/分子敏感特性，在新型纳米传感器件方面的潜在应用前景引起了人们的极大研究兴趣。本项目针对低维GaN表面微结构的演化特征与调控手段，围绕低维GaN表面微结构与传感特性相互影响关系，通过对离子/分子敏感的低维GaN表面微结构的设计、制备与性能分析，建立起低维GaN半导体表面传感调控模型，探索可用于柔性穿戴设备的高灵敏度、高稳定性与高精度的低维GaN微传感材料与器件。理论上，系统研究结构、尺度、极化、杂质及缺陷等对低维GaN表面微结构的影响规律，发展基于密度泛函理论总能计算的细菌菌落优化算法，设计出具有高响应与高选择性离子/分子敏感特性的低维GaN表面，提出低维GaN表面离子/分子传感响应的有效预测模型；在理论设计的指导下，实验上，探索低维GaN表面微结构调控实验手段与技术方案，研究高灵敏度探测pH、H2及CH4的低维GaN传感材料的制备及其柔性器件实现。

低维GaN丰富的表面微结构具有良好的气体/分子敏感特性以及光电性能，在新型纳米传感器件方面的潜在应用前景引起了人们的极大研究兴趣。本项目从GaN纳米线和GaN纳米薄膜的生长和表面微结构调控机制入手，提出了表面微结构调控研究新方法，探索了GaN纳米线金属吸附模型的气体敏感性能，制备了高性能的低维GaN光电传感器件。理论上，为GaN纳米线和GaN薄膜生长的表面/界面演化规律及其生长机制预测提供了良好的模型依据；提出了基于局部搜索的人工蜂群算法（LRABC）应用于低维GaN表面微结构优化的方法研究，提出了一种改进RAO算法与多核SVM的DFT总能计算的多参量调控表面微结构预测计算方法模型；探索了GaN纳米线形貌以及应变对其能带结构特性的影响，构建了GaN纳米线金属吸附模型，并探究了其气体敏感性能及传感机制，为构建低维GaN传感器件提供了理论基础和研究方法。在实验上，根据低维GaN的催化剂制备和无催化剂制备的生长规律，通过调整关键工艺参数，实现了低维GaN表面微结构的有效调控并研究了其光电探测性能。研究发现，低维GaN结构具有良好的气敏增强性能。此外，发现GaN异常的H2传感性能，随着氢气浓度增加，其电阻先减小后增大。进一步地，首次成功制备出了高性能的低维GaN自驱光电传感器；根据项目执行过程中具体情况与实施计划，也拓展了其它相关的低维纳米材料与传感性能研究，如采用水热方法，合成了多种半导体金属低维层级纳米结构，具有十分优异的气体传感性能，并系统地探索了其传感机理。采用了第一原理计算方，构建了多类新型低维新材料体系，研究了其表面特性，发现其在表面传感、锂电池电极等方面具有很好的应用潜力。