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1、中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)2013年第43卷第11期：1470—151O《中國科學(xué)》雜志社SCIENTIASINICAPhysica．Mechanica＆Astronomicaphys．scichina．tomSCIENCECHINAPRESS半導(dǎo)體納米線——宏觀牛頓世界與微觀量子世界的理想橋梁馮孫齊，俞大鵬，趙清，廖志敏北京大學(xué)物理學(xué)院，納米結(jié)構(gòu)與低維物理實(shí)驗(yàn)室和人工微結(jié)構(gòu)與介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100871聯(lián)系人，E—mail：yudp@pku．edu．c／]收稿日期：2013—08—01；接受日期：2013—08—14國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(編號：2013CB
2、932602，2009CB623703，2007CB936202，2002CB613505)、國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號：1123400190606023，59672013，29671030，50025206，60071014)和國家國際合作專項(xiàng)(編號：2010DFA01810)資助項(xiàng)目摘要本文以我們的研究團(tuán)隊(duì)自1995年以來在半導(dǎo)體納米線材料與物理研究中所做的科研工作為主線，從如何自下而上地規(guī)模、可控制備硅等半導(dǎo)體納米線的開創(chuàng)性研究工作開始，著重介紹半導(dǎo)體納米線獨(dú)一無二的物理性質(zhì)的代表性研究工作，以及它們在高品質(zhì)真空電子源、新型高效光電器件、新能源器件方面的潛在應(yīng)用的研究成
3、果．最后，對半導(dǎo)體納米線的未來發(fā)展前景進(jìn)行了展望．關(guān)鍵詞半導(dǎo)體納米線，低維結(jié)構(gòu)，量子尺寸效應(yīng)，表面效應(yīng)，應(yīng)變效應(yīng)，場發(fā)射，光電效應(yīng)，量子與自旋輸運(yùn)PACS：61．46．Km，73．63．·b，75．75．一C，78．67．一ndoi：101360／132013—3531前沿——半導(dǎo)體納米線研究的意義與最構(gòu)材料維度的不斷減少、接近一些特征物理量的尺度，新研究進(jìn)展如電子波的玻爾半徑、電子散射平均自由程、相位相干長度等特征物理尺度時(shí)，量子力學(xué)特征會占主導(dǎo)地人工低維結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)的基石之一．位，在輸運(yùn)等物理性質(zhì)上呈現(xiàn)出不同于宏觀尺度電子例如，半導(dǎo)體超晶格量子阱結(jié)構(gòu)材料帶來了現(xiàn)
4、代微器件的新穎性質(zhì)，并有可能帶來新的技術(shù)革命．因此，電子工業(yè)與技術(shù)的飛速發(fā)展．人工低維結(jié)構(gòu)的一個(gè)開展低維納米結(jié)構(gòu)及其相關(guān)物理研究具有極其重要的典型代表就是由僅約2am厚的磁性金屬一非磁金屬交科學(xué)意義，同時(shí)還具有非常巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值．替形成的三明治結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出巨磁阻(GMR)效應(yīng)l1]，半導(dǎo)體納米線是一種特殊的低維人工微結(jié)構(gòu)，不僅帶來了自旋電子學(xué)的興起，也引起了信息存儲與其他低維納米材料如量子點(diǎn)、納米碳管、分子導(dǎo)線等領(lǐng)域工業(yè)革命，基于GMR的信息存儲技術(shù)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)在每年的全球產(chǎn)值高達(dá)數(shù)十億美元．隨著人工微結(jié)等相比，具有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：(1)與量子點(diǎn)相比，納引用格式：馮孫齊，俞火鵬
5、，趙清，等．半導(dǎo)體納米線一宏觀牛頓世界與微觀量子世界的理想橋梁中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)，2013，43：1470-1510FengSQ，YuDP，ZhaoQ，eta1．Synthesis，physicalpropertiesandapplicationsofsemiconductornanowires(inChinese)．SciSin—PhysMechAstron，2013，43：1470-1510，doi：101360／132013—353中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)2013年第43卷第11期不休，有量子尺寸限制效應(yīng)、硅基化合物、表面氫化所有的硅納米線都被氧化為非晶的S
6、iO納米線．物等．根據(jù)理論計(jì)算，如果把硅制備成硅量子線，其對如圖20所示，不同晶態(tài)直徑的硅納米線樣品禁帶寬度不僅有可能隨納米線直徑的減小而變寬，進(jìn)行的系統(tǒng)的光致發(fā)光光譜研究表明，所有的硅納而且可以轉(zhuǎn)變成直接帶隙半導(dǎo)體材料，圖19是米線都呈現(xiàn)出紅、綠、藍(lán)三個(gè)發(fā)光峰，其中紅色發(fā)光Sanders模擬計(jì)算出的硅的本征電子結(jié)構(gòu)，以及量子峰對應(yīng)于硅的近邊發(fā)光，綠、藍(lán)二個(gè)發(fā)光峰對應(yīng)于缺線化以后電子結(jié)構(gòu)隨量子線直徑的關(guān)系，可以看出陷發(fā)光．隨著氧化溫度升高、氧化時(shí)間增加，近邊發(fā)量子線越細(xì)，帶隙越寬，這就是硅量子線的量子尺寸光峰不斷增強(qiáng)．所有的硅納米線都被氧化為非晶的限制效應(yīng)【7圳．SiO納米
7、線，其對應(yīng)的光致發(fā)光光譜中紅色近邊發(fā)為了澄清納米硅、多孔硅發(fā)光物理機(jī)制的爭論，光峰消失，僅剩下很強(qiáng)的藍(lán)光發(fā)光峰．該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)明我們利用制備的硅納米線系統(tǒng)研究了量子尺寸性質(zhì)白無誤地揭示了硅納米線的發(fā)光性質(zhì)與量子尺寸效效應(yīng)【．由于硅納米線的平均直徑約12nm，遠(yuǎn)大應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系．為了排除由于硅納米線表面引起的于硅的玻爾激子半徑(～1nm)，所以我們通過精確控發(fā)光，我們還利用電子順磁共振譜分析了硅量子線制氧化溫度和時(shí)間，結(jié)合HF腐蝕處理去除SiO層，中缺陷的種類，如圖20所示，其中僅觀察到g。g兩得到不同晶粒直徑的硅納米線．
