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Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线是发展纳米级电子和光电子器件的基础性材料,研究其生长的微观过程和物理性质无论对于材料的制备还是器件应用都有着特别重要的指导意义。本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了GaAs、InAs和InP为代表的一维Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线生长机理以及掺杂和表面功能化调制其物理性质的微观途径,具体的主要结果如下:
1.研究了GaAs纳米线生长初期Au颗粒在GaAs(111)B表面的成核机理和催化辅助效应。结果发现:随着Au原子的沉积,表面的As吸附层倾向于解吸附,解吸附的温度相比Au原子沉积以前降低了400K,表明了Au的催化效应;Au吸附到衬底GaAs(111)B表面后,Au原子倾向结合在GaAs(111)B表面从而导致表面发生(√3×√3)的重构;随着Au原子进一步沉积,这些沉积的Au原子倾向于在衬底表面团聚形成Au团簇,这与实验的观测是一致的。当气态的Ga原子被沉积时,这些Au团簇能加强Ga原子吸附到衬底表面的稳定性。并且,Ga吸附到Au团簇周围表面的数目取决于团簇的大小。
2.采用第一性原理方法结合热力学方程研究了InP纳米线生长过程中衬底表面相图、In自催化颗粒的成核机理和催化效应。热力学表面相图显示衬底InP(111)B表面结构取决于生长条件和生长气氛,在纳米线生长条件下包含P三聚体的InP(111)B-(2×2)表面是最稳定的表面结构,而氢化的InP(111)B表面在低温情况下更稳定。随着In原子的沉积,为了维持层状生长In吸附原子表现出自催化的特征,会首先解离掉衬底表面的P三聚体。在In覆盖率小于一个原子层的情况下,吸附的In原子倾向于平铺在InP(111)B表面;但当沉积的In原子超过一个原子层时,In原子就会倾向于团聚。其原因主要是由于In吸附原子与表面的P原子之间相互作用随覆盖率增加而减弱所导致。这些结果将有助于实验上理解InP纳米线的自催化生长。
3.调查了InAs一维纳米结构,包括单晶的InAs纳米线和纳米管以及InAs/InP核壳纳米线的稳定性和电子结构。结果显示InAs纳米结构的稳定性与表面原子比率成线性的反比关系,因此对于任意尺寸下的InAs纳米线和纳米管,前者的稳定性一直强于后者,这是由于In和As原子都倾向于形成sp3杂化。InAs纳米线和纳米管的带隙由量子限制效应和表面悬挂键效应相互竞争所决定,这使得相同尺寸的InAs纳米线和纳米管,前者的带隙一直小于后者。对于InAs/InP核壳纳米线,一维的带阶效应导致纳米线中的载流子出现空间局域化的现象。带边电荷密度分布显示电子和空穴能被限制在InAs部分,体现了I型纳米线的本质。InAs/InP核壳纳米线载流子的限制能和带隙能够通过改变纳米线核和壳的厚度来调制。
4.研究了InAs纳米线的掺杂限制和表面钝化激活杂质的微观途径。计算显示InAs纳米线表面In原子上的悬挂键是一类稳定的缺陷,并且倾向于带电,容易形成载流子的陷阱中心,从而导致掺杂失效。分子表面钝化是实现有效掺杂的一种可行的途径。在InAs纳米线表面钝化NH3和NO2分子发现,NH3分子的钝化会使InAs纳米线表现为n型的特征,NO2分子能够激活InAs纳米线中的p型杂质。并且这些分子的吸附过程都是放热反应,意味着分子倾向于吸附在InAs纳米线表面,这确保了分子钝化能稳定地调制InAs纳米线电子属性和实现杂质激活。