半导体纳米线——宏观牛顿世界与微观量子世界的理想桥梁.pdf

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1、中国科学：物理学力学天文学2013年第43卷第11期：1470—151O《中国科学》杂志社SCIENTIASINICAPhysica．Mechanica＆Astronomicaphys．scichina．tomSCIENCECHINAPRESS半导体纳米线——宏观牛顿世界与微观量子世界的理想桥梁冯孙齐，俞大鹏，赵清，廖志敏北京大学物理学院，纳米结构与低维物理实验室和人工微结构与介观物理国家重点实验室，北京100871联系人，E—mail：yudp@pku．edu．c／]收稿日期：2013—08—01；接受日期：2013—08—14国家重点基础研究发展计划(编号：2013CB

2、932602，2009CB623703，2007CB936202，2002CB613505)、国家自然科学基金(批准号：1123400190606023，59672013，29671030，50025206，60071014)和国家国际合作专项(编号：2010DFA01810)资助项目摘要本文以我们的研究团队自1995年以来在半导体纳米线材料与物理研究中所做的科研工作为主线，从如何自下而上地规模、可控制备硅等半导体纳米线的开创性研究工作开始，着重介绍半导体纳米线独一无二的物理性质的代表性研究工作，以及它们在高品质真空电子源、新型高效光电器件、新能源器件方面的潜在应用的研究成

3、果．最后，对半导体纳米线的未来发展前景进行了展望．关键词半导体纳米线，低维结构，量子尺寸效应，表面效应，应变效应，场发射，光电效应，量子与自旋输运PACS：61．46．Km，73．63．·b，75．75．一C，78．67．一ndoi：101360／132013—3531前沿——半导体纳米线研究的意义与最构材料维度的不断减少、接近一些特征物理量的尺度，新研究进展如电子波的玻尔半径、电子散射平均自由程、相位相干长度等特征物理尺度时，量子力学特征会占主导地人工低维结构是现代科学与技术的基石之一．位，在输运等物理性质上呈现出不同于宏观尺度电子例如，半导体超晶格量子阱结构材料带来了现

4、代微器件的新颖性质，并有可能带来新的技术革命．因此，电子工业与技术的飞速发展．人工低维结构的一个开展低维纳米结构及其相关物理研究具有极其重要的典型代表就是由仅约2am厚的磁性金属一非磁金属交科学意义，同时还具有非常巨大的潜在应用价值．替形成的三明治结构，呈现出巨磁阻(GMR)效应l1]，半导体纳米线是一种特殊的低维人工微结构，不仅带来了自旋电子学的兴起，也引起了信息存储与其他低维纳米材料如量子点、纳米碳管、分子导线等领域工业革命，基于GMR的信息存储技术产业现在每年的全球产值高达数十亿美元．随着人工微结等相比，具有其独特的优点：(1)与量子点相比，纳引用格式：冯孙齐，俞火鹏

5、，赵清，等．半导体纳米线一宏观牛顿世界与微观量子世界的理想桥梁中国科学：物理学力学天文学，2013，43：1470-1510FengSQ，YuDP，ZhaoQ，eta1．Synthesis，physicalpropertiesandapplicationsofsemiconductornanowires(inChinese)．SciSin—PhysMechAstron，2013，43：1470-1510，doi：101360／132013—353中国科学：物理学力学天文学2013年第43卷第11期不休，有量子尺寸限制效应、硅基化合物、表面氢化所有的硅纳米线都被氧化为非晶的S

6、iO纳米线．物等．根据理论计算，如果把硅制备成硅量子线，其对如图20所示，不同晶态直径的硅纳米线样品禁带宽度不仅有可能随纳米线直径的减小而变宽，进行的系统的光致发光光谱研究表明，所有的硅纳而且可以转变成直接带隙半导体材料，图19是米线都呈现出红、绿、蓝三个发光峰，其中红色发光Sanders模拟计算出的硅的本征电子结构，以及量子峰对应于硅的近边发光，绿、蓝二个发光峰对应于缺线化以后电子结构随量子线直径的关系，可以看出陷发光．随着氧化温度升高、氧化时间增加，近边发量子线越细，带隙越宽，这就是硅量子线的量子尺寸光峰不断增强．所有的硅纳米线都被氧化为非晶的限制效应【7圳．SiO纳米

7、线，其对应的光致发光光谱中红色近边发为了澄清纳米硅、多孔硅发光物理机制的争论，光峰消失，仅剩下很强的蓝光发光峰．该系统实验明我们利用制备的硅纳米线系统研究了量子尺寸性质白无误地揭示了硅纳米线的发光性质与量子尺寸效效应【．由于硅纳米线的平均直径约12nm，远大应的对应关系．为了排除由于硅纳米线表面引起的于硅的玻尔激子半径(～1nm)，所以我们通过精确控发光，我们还利用电子顺磁共振谱分析了硅量子线制氧化温度和时间，结合HF腐蚀处理去除SiO层，中缺陷的种类，如图20所示，其中仅观察到g。g两得到不同晶粒直径的硅纳米线．