表面活性剂辅助化学气相沉积法制备高性能GaSb纳米线详解.docxVIP

表面活性剂辅助化学气相沉积法 制备高性能GaSb纳米线 摘要： 虽然基于GaSb纳米线的各种电子器件和结构已经可以实现，但是由于对纳米线径向生长过程的控制过程不易实现，从而会导致结构的不均匀和制备出的纳米线直径过大（在几十个纳米以上），从而不利于该类器件性能的进一步提升。本文中，我们使用硫表面活性剂，通过化学气相沉积的方法，制备出了非常均匀的薄膜材料，GaSb纳米线的直径在20nm以下。与通常用于液相和薄膜制备技术的表面活性剂作用机制不同，硫原子有助于在纳米线界面形成稳定的S-Sb键，能够有效地稳定晶体界面，并抑制纳米线在径向的无规生长。将该类材料应用到晶体管中，表现出非常优异的电性能，其空穴迁移率峰值达到200 cm2V-1s-1，比现有报道的GaSb纳米线设备的相关性能要优异。相关研究结果表明这种表面活性剂辅助法，是制备高性能小直径的GaSb纳米线的有效方法。  在过去的十几年里，由于具有比较独特的物理化学性质，一维(1D)半导体纳米线(NWs)已引起了广泛的关注，被用于下一代电子、光电、光伏等器件的主要组成部分。虽然已经在NW成核的控制和二元、三元系统的组成等方面取得了显著的研究进展，但是对于纳米线形态的和NWs长度尺度(特别是从原子水品上)的控制依然是一项技术挑战，特别是对于非常重要的III-Sb纳米线。一般来说，III-Sb纳米线很难以直径较小的催化剂粒子为基础通过化学气相淀积(CVD)等其他方法来制备得到，从而其制备出的直径都要比III-As NWs的直径大。这主要是因为需要的前驱体的分压高，并且Sb原子的大小较大。特别是在CVD过程中，由于Gibbs-Thomson效应使得Sb的过度饱和度在较小的催化剂粒子作用下显著降低，因此小直径NWs的制备只能通过增加前驱体的浓度来实现。除此之外，Sb较大的原子半径会影响表面活性剂的作用效果，Sb原子一般会在生长界面的上表面漂浮，从而影响表面或界面能量和减少吸附原子的迁移长度。因此，上述这些因素将不可避免地产生不可控径向(vapour-solid,VS)的生长，不利于III-Sb NWs直径的控制。 到目前为止，很少有研究工作能够合成出小直径(低于几十纳米)的III-Sb NWs，然而小直径的NWs是改善电子设备和器件的应用性能所必需的。例如，小型化的InSb NWs被证实具有Majorana费米粒子的形成。GaSb NWs在单电子晶体管、自旋电子学和高效能的设备结构的应用方面具有突出的应用优势，因为小直径可以减少载流子的热效应，并且可以通过门静电耦合以及更少的散射来提高其应用性能。因此，要减少NW的不可控径向生长，需要对相应的表面能量进行操纵，这是提高III-Sb NWs设备和器件的实际应用与性能优化的重要途径。 最近的研究结果表明，采用较高的Sb分压和异质结构，Sb在催化剂粒子中的过度饱和得到有效控制，从而GaSb NWs成功缩小到32 nm。结果发现，随着Sb分压的进一步增加，其径向生长增加，从而并没有减少NW的直径。在本文所述的研究中，我们探索了表面活性剂的使用(硫表面活性剂)对CVD法制备小直径 NWs的作用效果，以获得GaSb NWs的直径能小于20nm。与液相中(例如,溶剂热和水热合成法)的表面活性剂的作用机制不同，硫原子通常用于III-V 半导体的表面钝化，导致在生长的NW表面形成S-Sb键，能够有效地稳定晶体界面，从而抑制纳米线的径向增长。重要的是，获得的NWs具有高度化学计量匹配度，并且晶体结构表面光滑、直径分布均匀。当应用于后门场效应晶体管(FET)中，表现出非常突出的电特性，ION/IOFF比大于104，ON电流密度达到50 uA/um，场效应迁移率峰值为200 cm2 V-1 s-1。这些优越的性能优势对于III-Sb NWs的应用非常重要。 试验结果 表面活性剂辅助CVD 传统的未使用硫表面活性剂的GaSb NW 制备方法，是由固体CVD方法直接在在Si/SiO2基质表面进行沉积。通常的制备条件是：1.0 g GaSb粉作为原料，1.0 nm厚的Au薄膜作为催化剂，源温度为850℃，衬底温度为620℃，H2气体流速在50 sccm，持续时间为0.5 h。该方法并未采用外延技术， 以增加NW的产量用于后续系统的设备集成，并降低昂贵的结晶基底带来的成本。如图1所示,获得的NWs非常长(＞10μm)，并且形态笔直、密集，其直径非常大(219±53 nm)。相反，采用硫表面活性剂之后，在相同的制备条件下获得的NWs变得更细(28±9 nm) (补充资料 图1)。为了进一步减小NW的直径，优化了硫表面活性剂辅助的制备方法：使用0.5 g GaSb和0.5 g硫粉作为原料， 0.1 nm厚的Au薄膜作为催化剂，源温度750 ℃，衬底温度550℃，气流量为20