硅(001)图形衬底上锗硅纳米线的定位生长

纳米线的定位生长是实现纳米线量子器件寻址和集成的前提.结合自上而下的纳米加工和自下而上的自组装技术,通过分子束外延生长方法,在具有周期性凹槽结构的硅(001)图形衬底上首先低温生长硅锗薄膜然后升温退火,实现了有序锗硅纳米线在凹槽中的定位生长,锗硅纳米线的表面晶面为(105)晶面.详细研究了退火温度、硅锗的比例及图形周期对纳米线形成与否,以及纳米线尺寸的影响.     

原子尺度金属纳米线的结构和性质

当物质尺度减少到几层原子时，形成超细的纳米结、纳米线、或者纳米团簇，原有凝聚态物质的结构和物理性质将不再保持，而呈现出许多令人惊奇的奇异特性。本文重点讨论直径大约3nm以下，具有足够长度的、原子结构往往不同于体材料的准一维金属纳米结构，我们称之为原子尺度金属纳米线或超细金属纳米线（也称为金属原子线）。近年来实验上已经制备和表征出在超高真空中悬挂在两个顶针尖端的Au、Pt、Cu等金属纳米线和纳米管，金属线直径达到1nm以下而长度为6nm以上。通过高分辩电子显微镜观察，它们是同轴圆管（或壳）组成的、类似纳米碳管的单壳或多壳结构，管由绕着线轴的螺旋原子绳构成。理论工作围绕这种新奇结构形态的形成机制、奇异的物理性质和可能的应用前景而同时展开。这是一个崭新的纳米世界，无论是对基础的低维物理还是未来分子电子设备的应用，都将产生深远的影响，有许多奇妙的现象正等待人们去发现。本文将对最近几年原子尺度金属纳米线研究工作的主要进展和发展趋势作一个概述，并重点介绍本组有关的具有螺旋结构的纳米线的各类新奇结构和物理性质。     

原子尺度金属纳米线的结构和性质

当物质尺度减少到几层原子时,形成超细的纳米结、纳米线、或者纳米团簇,原有凝聚态物质的结构和物理性质将不再保持,而呈现出许多令人惊奇的奇异特性。本文重点讨论直径大约3 nm以下,具有足够长度的、原子结构往往不同于体材料的准一维金属纳米结构,我们称之为原子尺度金属纳米线或超细金属纳米线(也称为金属原子线)。近年来实验上已经制备和表征出在超高真空中悬挂在两个顶针尖端的Au、Pt、Cu等金属纳米线和纳米管,金属线直径达到1 nm以下而长度为6 nm以上。通过高分辩电子显微镜观察,它们是同轴圆管(或壳)组成的、类似纳米碳管的单壳或多壳结构,管由绕着线轴的螺旋原子绳构成。理论工作围绕这种新奇结构形态的形成机制、奇异的物理性质和可能的应用前景而同时展开。这是一个崭新的纳米世界,无论是对基础的低维物理还是未来分子电子设备的应用,都将产生深远的影响,有许多奇妙的现象正等待人们去发现。本文将对最近几年原子尺度金属纳米线研究工作的主要进展和发展趋势作一个概述,并重点介绍本组有关的具有螺旋结构的纳米线的各类新奇结构和物理性质。     

分子动力学研究表面缺陷对硅纳米线杨氏模量的影响

硅纳米线因受量子尺寸效应与表面效应的影响而具有奇特的力、电及其耦合特性,成为了纳米电子器件的核心构件.然而在硅纳米线的制备过程中,表面产生缺陷不可避免.因此本文采用分子动力学方法着重研究了表面缺陷浓度对不同横截面形状(正方形、六角形和三角形)的[110]晶向和[111]晶向硅纳米线杨氏模量的影响.研究结果表明,当硅纳米线仅有单一表面缺陷时,不同晶向硅纳米线的杨氏模量均随表面缺陷浓度增加而迅速单调减小.当表面缺陷浓度为10%时,杨氏模量的减小幅度在10%-20%之间,减小幅度的差异与硅纳米线的晶向以及横截面形状密切相关.当存在多个表面缺陷时,杨氏模量随着缺陷浓度的增加表现出了不同程度的波动趋势.三角形截面硅纳米线的杨氏模量波动幅度最大,正方形截面的波动较小,即表面缺陷分布的不同对正方形截面硅纳米线的杨氏模量影响较小,这表明表面缺陷的影响与其分布及硅纳米线的横截面形状密切相关.通过与实验结果对比,本文的研究结果揭示了表面缺陷是导致硅纳米线杨氏模量实验值变小的重要因素,因此在表征硅纳米线的力学性能时,需要考虑表面缺陷的影响.     

SimGen(m+n=9)团簇结构和电子性质的计算研究

硅锗团簇结构与电子性质的研究对于研发新型微电子材料具有重要意义. 将遗传算法和基于密度泛函理论的紧束缚方法相结合, 研究了Si_mGe_n(m+n=9)团簇的原子堆积结构和电子性质. 计算结果发现, Si_mGe_n(m+n=9) 团簇存在两种低能原子堆积稳定构型: 带小金字塔的五边形双锥堆积和带桥位Ge原子的四面体紧密堆积. 随着团簇内锗原子数目的逐渐增加, 两种堆积结构均出现明显的转变, 其中最低能量的几何结构由单侧带相邻双金字塔的五边形双锥结构转变为双侧带相邻单金字塔的五边形双锥结构. 随着原子堆积结构的变化, 团簇内原子电荷分布及电子最高占据轨道与电子最低未占据轨道的能隙随团簇内所含硅和锗元素组分的不同呈现出明显的差异.     

硅烯和锗烯的生长及其机制研究

正硅烯和锗烯分别是由硅原子和锗原子组成的具有类似石墨烯结构的二维材料。与组成石墨烯的sp~2杂化的碳原子不同,硅原子和锗原子在能量上更倾向于sp~3杂化,这是一种三维的共价键构型,所以在自然界中不存在类似石墨那样的层状结构的块体硅和锗,因此也不可能像剥离石墨烯那样从块体中得到硅烯和锗烯单层。这两种材料的生长需要使用单层可控的沉积技术,并选择合适的基底,从而使硅和锗倾向于二维平面生长而     

含纳米硅和纳米锗的氧化硅薄膜 光致发光的比较研究

分别以硅-二氧化硅和锗-二氧化硅复合靶作为溅射靶,采用磁控溅射技术在p型硅衬底上淀积了含纳米硅的氧化硅薄膜和含纳米锗的氧化硅薄膜.各样品分别在氮气氛中经过300至1100℃不同温度的退火处理.使用高分辨透射电子显微镜可以观察到经900和1100℃退火的含纳米硅的氧化硅薄膜中的纳米硅粒,和经900和1100℃退火的含纳米锗的氧化硅薄膜中的纳米锗粒.经过不同温度退火处理的含纳米硅的氧化硅和含纳米锗的氧化硅薄膜的光致发光谱均具有相似的峰型,且它们的发光峰位均位于580nm(2.1eV)附近.可以认为含纳米硅的氧化硅和含纳米锗的氧化硅薄膜的光发射主要来自于SiO     

反铁磁TmFeO3中激光诱导的自旋超快重定向

人们在研究半导体碳纳米管和纳米线真正电子器件上作了很多努力，希望制造出可替代传统硅晶体管的场效应管或独立的纳米电子系统，     

锗/多孔硅和锗/氧化硅薄膜光致发光的比较研究

采用磁控溅射技术,以锗为溅射靶,在多孔硅上沉积锗薄膜,沉积时间分别为4,8和12 min,及以锗-二氧化硅复合靶为溅射靶,在n型硅衬底上沉积了含纳米锗颗粒的氧化硅薄膜,锗与总靶的面积比分别为5%,15%,30%.各样品在氮气氛中分别经过300,600及900℃退火30 min.对锗/多孔硅和锗/氧化硅薄膜进行了光致发光谱的对比研究,用红外吸收谱分析了锗/多孔硅的薄膜结构.实验结果显示,锗/多孔硅薄膜的发光峰位于517 nm附近,沉积时间对发光峰的强度有显著影响,锗层越厚峰强越弱.锗/氧化硅薄膜的发光峰位于580 nm附近,锗与总靶的面积比对发光峰的强度影响较大,锗/氧化硅薄膜中的锗含量越高峰强越弱.不同的退火温度对样品的发光峰强及峰位均没有明显影响.可以认为锗/多孔硅的发光峰是由多孔硅与孔间隙中的锗纳米晶粒两者界面的锗相关缺陷引起的,而锗/氧化硅的发光峰来自于二氧化硅的发光中心.     

含纳米硅和纳米锗的氧化硅薄膜光致发光的比较研究

分别以硅-二氧化硅和锗-二氧化硅复合靶作为溅射靶,采用磁控溅射技术在p型硅衬底上淀积了含纳米硅的氧化硅薄膜和含纳米锗的氧化硅薄膜.各样品分别在氮气氛中经过300至1100℃不同温度的退火处理.使用高分辨透射电子显微镜可以观察到经900和1100℃退火的含纳米硅的氧化硅薄膜中的纳米硅粒,和经900和1100℃退火的含纳米锗的氧化硅薄膜中的纳米锗粒.经过不同温度退火处理的含纳米硅的氧化硅和含纳米锗的氧化硅薄膜的光致发光谱均具有相似的峰型,且它们的发光峰位均位于580nm(2.1eV)附近.可以认为含纳米硅的氧化硅和含纳米锗的氧化硅薄膜的光发射主要来自于SiO₂层中发光中心上的复合发光,对实验结果进行了合理的解释     

第一性原理研究[112]硅锗异质结纳米线的电子结构与光学性质

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似,本文利用第一性原理方法着重研究了[112]晶向硅锗异质结纳米线的电子结构与光学性质.能带结构计算表明:随着锗原子数的增加,[112]晶向硅锗纳米线的带隙逐渐减小;对Si_(36)Ge_(24)H_(32)纳米线施加单轴应变,其能量带隙随拉应变的增加而单调减小.光学性质计算则表明:随着锗原子数的增加,[112]硅锗纳米线介电函数的峰位和吸收谱的吸收边均向低能量区移动;而随着拉应变的增大,吸收系数峰值呈现出逐渐减小的趋势,且峰位不断向低能量区移动,上述结果说明锗原子数的增加与施加拉应变均导致[112]硅锗纳米线的吸收谱产生红移.本文的研究为硅锗异质结纳米线光电器件研究与设计提供一定的理论参考.     

金催化的硅纳米线的可控制备及光学特性研究

硅纳米线是新型一维半导体纳米材料的典型代表。利用阳极氧化铝薄膜为模版复制出具有有序纳米结构的金膜,在金的催化辅助下对单晶硅进行湿法刻蚀,得到尺寸、形状、分布可控的硅纳米线阵列,并对其光学特性进行了研究。研究结果表明,金代替银作为催化剂,可以有效地抑制二次刻蚀,金的化学性质相对于银更加稳定,克服了银膜在较高的温度或较长刻蚀时间下产生的结构性破坏,得到形貌规整、尺寸可控的硅纳米线阵列。对该阵列在400 nm~1 200 nm波段的反射率、透过率进行了测试,并对比分析了金模板催化与传统方法机理的异同。测试结果表明,相较于传统金属辅助化学刻蚀法,文中提出的金模板催化法制备的硅纳米线阵列尺寸及分布更加均匀可控,在宽光谱范围内的抗反射性得到了显著提高。     

硅基锗薄膜的异质外延生长及其在光电子器件中的应用

准直接带隙的锗,其禁带宽度小,吸收系数大,迁移率高,更重要的是,它能与硅微电子工艺兼容,在硅基光电集成中得到了广泛的研究和应用．文章综述了硅基锗薄膜的异质外延生长及其在光电子器件（特别是长波长光电探测器和激光器）应用上的进展;介绍了在硅衬底上异质外延生长锗薄膜的缓冲层技术,如组分变化的SiGe缓冲层技术、选区外延技术和低温技术;讨论了硅基锗薄膜光电探测器的性能与结构的关系以及发展趋势;分析了张应变和n型掺杂对锗光电性质的影响;展望了硅基锗薄膜单片集成和电抽运激光器的前景．     

气体吸附对硅锗异质结纳米线电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似(GGA),采用第一性原理方法探讨了沿[112]晶向的硅锗异质结纳米线作为气体传感器检测CO,CO₂和Cl₂的能力，着重计算了其吸附气体分子前后的吸附能、能带结构与光学性质.几何结构优化计算表明：不同硅锗组分的[112]晶向的硅锗纳米线对CO,CO₂和Cl₂分子的吸附能的绝对值在0.001 eV至1.36 eV之间，其中Si₂₄Ge₃₆H₃₂对CO₂气体的吸附能最大，气敏性能最好.能带结构计算表明：吸附CO和CO₂分子的[112]晶向硅锗纳米线能带的简并度明显减小，带隙变化较小；而吸附Cl₂分子后的价带顶与导带底之间产生了杂质能级使其带隙减小.光学性质计算表明：Si₂₄Ge₃₆H₃₂纳米线吸附CO, CO₂和Cl₂分子后的光学...     

随机硅–锗超晶格高通量筛选和热导率优化

低维热电材料往往可以通过降低声子热导率实现其热电性能的提升。由两种材料交替生长获得的超晶格薄膜较单一材料薄膜具有更低的热导率,通过改变材料的厚度排布,随机排列的非周期性超晶格甚至可以实现更低的热导率。本文基于非平衡分子动力学模拟计算了硅和锗薄膜热导率和非对称界面热阻,构建了随机硅–锗超晶格热导率的数值拟合等效介质模型。引入邻间因子和修正函数后,获得了可以更为准确预测随机排列硅–锗超晶格热导率的修正等效介质模型。将此模型与遗传算法相结合,可以对大量随机超晶格结构进行高通量筛选,实现了热导率的快速优化。结果表明,即使总厚度大的超晶格最低热导率仍能维持在1.4～1.8 W·m^-1·K^-1,平均周期厚度稳定在2.0～2.5 nm。     

超细氧化硅纳米线阵列的制备和发光特性

以液态金属Ca作为催化剂合成了大量的非晶SiO2纳米线阵列。这些纳米线具有高度取向性,直径分布均匀,平均约8nm,长度大于300μm。研究发现,载气的湿度对非晶SiO2纳米线阵列的生长有重大影响,提出了一种可能的生长模型,以解释这一与传统的VLS机制不同的生长过程。对样品的光致荧光(PL)谱的测量表明,非晶SiO2纳米线阵列在蓝光波段附近存在两个很强且稳定的发射峰,它们直接与样品中的缺陷和空位有关。首次发现了一个稳定的PL峰,存在于红外波段,作为光源,非晶SiO2纳米线阵列可能会在纳米光电子器件中得到应用。由于SiO2是传统的光纤材料,单根SiO2纳米线也有希望应用于近场光学扫描显微镜(SNOM)之中。     

含纳米锗粒二氧化硅薄膜的光致发光研究

以锗-二氧化硅(GSO)复合靶作为溅射靶，改变靶上锗与总靶面积比为0%，5%和10%，用射频磁控溅射方法在p型硅衬底上淀积了含锗量不同的三种二氧化硅薄膜.各样品分别在氮气氛中经过300至900℃不同温度的退火处理.通过对样品所作Raman散射光谱的分析，发现随着锗在溅射靶中面积比的增加，所制备的氧化硅薄膜中纳米锗粒的平均尺寸在增大.确定出随着退火温度由600℃升高到900℃，GSO(5%)样品中纳米锗粒的平均直径由5.4nm增至9.5nm.含纳米锗粒大小不同的二氧化硅薄膜的光致发光谱中都存在位于2.1eV     

三四五族元素掺杂对五元环石墨烯电学性能的影响

本文基于第一性原理计算研究了一种以五元环作为基本结构单元所构成的碳同素异性体--五元环石墨烯。五元环石墨烯具有准直接带隙的特征。本文讨论了三四五族中的原子替换掺杂五元环石墨烯后对其结构和禁带宽度的影响。其中,硼原子和氮原子掺杂后五元环石墨烯呈现金属特性;硅原子掺杂后的五元环石墨烯结构将在纳米电子器件领域有应用的前景。     

大尺寸多孔硅／硝酸盐复合材料的制备

多孔硅是一种具有特殊物理形态的硅单质材料，呈海绵状结构，内部存在大量的纳米孔洞，孔洞表面有一层具有原子直径厚度的氢原子层，这个氢原子层在硅原子和充填在孔洞内的硝酸盐分子之间起着缓冲和隔离作用。在一定的触发条件下，可以发生快速的氧化还原反应，纳米孔洞结构使得多孔硅与硝酸盐之问的界面面积非常大，反应速度非常快，反应释放能量是TNT的7倍，这使得多孔硅／硝酸盐复合材料成为一种潜在的含能材料。     

原子线

适用于电子装置上的世界上非常细小的金丝已能成批地生产，这个工作是由荷兰Delft大学Kavli纳米实验室的P．Snijders和S．Rogge俩位教授与美国田纳西大学的H．Weitering教授合作完成的．他们首先在温度为1200K下对硅基底进行烘烤，从而可以对硅基内的杂质进行清洗，再将这种硅基表面切割成阶梯形状，第二步是把金原子蒸发并喷溅于硅基底上，最后对金原子不加干涉，让金原子不受干扰地沿着阶梯的起伏形状自组装成为一条具有150个金原子长度的金细丝．他们制作的金细丝具有不同的宽度，通常为50nm，其中最细的只有一个原子的宽度。这种最细的金细丝现在并没有使用在任何电子装置匕，而只是作为科学研究之用。