半导体纳米线结构及器件创新与分数维度晶体电子态系理论-南开大学.PDF

附件： “半导体纳米线结构及器件创新与分数维度晶体电子态系理论”项目公示材料 一．项目名称：半导体纳米线结构及器件创新与分数维度晶体电子态系理论 二．推荐单位：北京邮电大学 三． 主要完成单位：北京邮电大学，天津大学，南开大学 四．拟推荐奖项：2017年度高等学校科学研究优秀成果自然科学奖 五．项目简介： 本项目面向信息及能源等领域，重点涉及半导体异质结构物理学。特征线度 小至纳米尺度、电子态系呈现低维特征的纳异质结构的出现使得异质结构物理学 进入了全新发展阶段，同时也暴露出了现有固体物理学乃至量子力学理论中存在 的某些深层次问题。本项目组在承担国家973计划项目和国家自然科学基金重大 国际合作研究项目的过程中，在III-V族半导体纳米线及相关异维异质结构等新 颖材料结构的制备、表征以及相关器件研制方面取得了突破性进展，进而在作为 异质结构物理学乃至固体物理学核心内容的晶体电子态系理论方面作出了原创 性贡献。具体科学发现包括： 1、揭示了III-V族半导体纳米线纯相及晶相可控生长的条件及机理，实现 了关键工艺突破。首次在Si衬底上通过引入缓冲层生长出了无位错的纯闪锌矿 结构GaAs纳米线，解决了相应的工艺难题，显著拓宽了此类纳米线高质量生长 的高度和半径范围，避免了衬底的Au污染和纳米线的Si污染，从而拓展了Si 基GaAs纳米线器件制备的可能性和自由度；首次在GaAs衬底上生长出了半径细 至12nm 的纯闪锌矿结构GaAs纳米线，改变了以往的研究结论，发现了气体超饱 和度对其纯相生长的重要影响；发现了在GaAs纳米线 “基座”上实现设定晶相 InAs纳米线选择性生长的调控机制及一种新的成核模式，从理论上阐明了纳米 线轴向双异质结构无位错生长的相关条件与机理。 2、揭示了III-V族半导体纳米线/量子点径向异维复合结构的生长机理及其 重要特性，实现了关键工艺突破。首次在GaAs基、乃至Si基GaAs纳米线侧壁 上以S-K外延模式直接制备出InAs量子点，揭示了一种基于扩散的量子点形成 机理，发现了量子点的分布及演化规律，开拓了制备 “点”“线”异维复合结构 的一种有效途径；观察到纳米线侧壁量子点的F-P腔谐振现象，并首次在室温下 观察到相应的量子点发光峰，表明了该结构应用于室温光电子器件制备的潜在价 值；首次在GaAs纳米线侧壁上制备出InxGa1-xAs三元系量子点，发现了量子点 发光波长及光谱线宽随组分变化的规律，，为器件功能结构的灵活、优化设计提 供了可能性。 3、首次利用倏逝波泵浦实现了单根GaAs/AlGaAs纳米线的室温单模激射， 该激光器属于最早报道的3例室温近红外纳米线激光器之一；揭示了III-V族半 导体纳米线中的新颖非线性效应并研制出相应的新型光电子雏形器件，首次利用 飞秒脉冲激光在GaAs纳米线上获得了宽带倍频与和频信号，此类新型宽带非线 性光学转换器件具有重要的潜在应用价值；提出了一种轴向串接径向pn结的新 型纳米线阵列太阳能电池结构，其效率比传统单节纳米线阵列太阳能电池高出 30%。 4、在长期从事纳异质结构理论和实验研究工作的基础上，提出了分数维度 （或弥散化）晶体电子态系理论。发现了令人困惑的一个重要而基本的科学问题， 进而突破现行理论，提出了能级弥散的概念和模型，深化了关于能带概念本质的 认识，给出了态系维度连续演化的物理图像，进而给出了任意维度态密度函数的 表达式和维度区间转换的定量判据 （临界线度），从而将晶体电子态系维度理论 从整数维度领域拓展到了分数维度领域，为深入进行异质结构物理学乃至固体物 理学诸多基本问题的研究提供了新的理论基础。该理论具有原创性，并在国际上 有关 “0.5维纳米材料”的实验报道中得到了印证。上述能级弥散概念及相关探 索还对更为基础的物理学理论形成了挑战。 发表SCI论文30余篇，其中影响因子IF大于10的有3篇。10篇代表性论 文共被SCI他引74次，其中被Nat. Commun. (IF:11.329)、Mater. Today (IF:17.793)、Nano Lett. (IF:13.779)、ACS Nano (IF:13.334)、Nano Today (IF:13.157)、Adv.Funct.Mater. (IF:11.382) 等IF大于10的期刊论文他引 18次，被Mater. Today、Nano Today等著名期刊的权威性综述论文他引14次， 同时还被俄国、美国、韩国、新加坡等国科学家发表的5部学术专著他引。另有 16篇论文被Nano Lett.等SCI期刊论文他引53次