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本论文的研究工作是围绕课题组承担的国家973计划项目(No：2010CB327600)、国家863计划项目(No：2009AA032417)、国家自然科学基金(No：61020106007)、新世纪优秀人才支持计划(No：NCET-08-0736)和高等学校学科创新引智计划(No：B07005)展开的。
由于半导体纳米线在电子与光电子领域有着广泛的应用前景，近年来有关纳米线的生长研究受到了越来越多的关注。本论文围绕Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线及相关异质纳米线的外延生长问题开展了大量的研究工作。利用金辅助金属有机化合物化学气相沉积技术生长了GaAs、InP纳米线以及GaAs/A1GaAs、GaAs/InGaAs、GaAs/InAsP、GaAs/InAs异质纳米线；利用自催化机制生长了InP纳米线和InGaP纳米针。对以上生长实验展开了系统地优化创新和理论分析，并建立了一种新的纳米线生长模型。主要研究成果如下：
1、系统地研究了不同生长条件对GaAs纳米线生长的影响。通过金薄膜厚度的选择实现了对GaAs纳米线的直径及密度分布在一定程度上的控制。通过对不同生长温度下GaAs纳米线的形貌和结构研究可知，GaAs纳米线的最佳生长温度窗口介于440℃-500℃之间。在该温度下生长的纳米线是高质量的无缺陷纯闪锌矿晶体结构。合金颗粒在纳米线生长过程中起的是催化剂的作用，而不是扩散原子的收集器的作用。合金颗粒过饱和度的增高，导致纳米线生长速率降低。不同衬底的选择，将影响纳米线的密度。
2、通过双温法生长技术利用GaAs/AlGaAs缓冲层在Si衬底上实现了生长无缺陷纯闪锌矿的GaAs纳米线，并对缓冲层进行了优化。实验结果表明缓冲层能够有效地阻挡Au原子向Si衬底扩散以及衬底中的Si原子向纳米线扩散。
3、研究了p型和n型掺杂GaAs纳米线的生长。不同的DEZn流量对纳米线的形貌影响很大。解释了高Ⅱ/Ⅲ比条件下生长的纳米线弯曲的原因。不同的SiH4流量对纳米线的形貌影响不大。同时，对在p型GaAs衬底上生长的n型掺杂GaAs纳米线制备了电极。测试结果表明，电极与纳米线电接触良好。
4、研究了InP基Au辅助InP纳米线的生长。研究结果表明：随着生长温度的提高，InP纳米线受In原子扩散效应的影响增强；纳米线的晶体结构为闪锌矿/纤锌矿混合结构；通过调节生长温度，观察到InP纳米线PL谱峰值波长的移动。
5、研究了不同生长温度及W/Ⅲ条件下生长的InP基自催化InP纳米线。可以根据对纳米线晶体结构的测试结果，对InP自催化纳米线生长条件进行进一步的优化。同时，研究了Si基自催化InGaP纳米针的生长。可以通过改变预先通In的时间及流量、生长温度及W/Ⅲ等条件，对纳米针的生长进行优化。
6、深入地研究了GaAs/AlGaAs轴向、径向异质纳米线。在生长完GaAs纳米线后，通过改变生长温度可以实现轴向、径向的异质转变。当生长温度较低时为轴向异质结构，当生长温度较高时为径向异质结构。由于GaAs、AlGaAs晶格常数基本相同，因此所生长的异质纳米线为无缺陷的纯ZB结构。
7、研究了GaAs/InGaAs以及GaAs/InAsP径向异质纳米线的生长。随着生长温度的升高，GaAs/InGaAs径向异质纳米线侧面从{112}面变为{110}面。
8、由于GaAs、InAs之间存在较大的晶格失配，使其受界面能差异的限制，因此在GaAs纳米线上直接轴向异质生长InAs纳米线十分困难。通过引入InxGa1-xAs组分渐变段可以有效地释放应力，克服界面能差异实现GaAs/InAs轴向异质结构。运用弹性力学模型计算了不同组分渐变段情况下的轴向异质纳米线的临界直径的变化情况。同时，建立了一种新的纳米线生长模型。通过调节In原子扩散影响实现InAs晶体结构可控生长。