文章来源：金属研究所

　　半导体纳米材料兼具半导体材料和纳米材料的诸多优良光电性能，广泛地应用在微小尺寸晶体管、二极管、高灵敏度光电探测器、高性能太阳能电池、气体传感和清洁能源制备等领域，是近年来纳米材料领域研究的热点之一。但由于本征半导体材料光学和电学性能单一，带隙固定，其应用受到限制。将成分不同、光电性能差异明显的半导体纳米材料进行异质生长和相互固溶，形成尺寸、形貌及成分可调的多组元异质结和固溶体纳米材料，就可以有效地调控半导体的禁带宽度、发光波长、电输运等性能，为半导体纳米材料的光电性能调控提供新的思路。

　　基于结构及晶格匹配原理、充分考虑化学性能相近性及控制化学气相沉积反应过程，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室功能薄膜与界面研究部研究员姜辛和刘宝丹，通过巧妙的实验设计，先后实现了GaP-ZnS和GaP-ZnSe不同二元半导体材料之间的相互固溶（图1），并且发现当少量ZnS进入GaP晶格形成伪二元固溶体纳米线之后，会引起电阻的急剧增加，诱导GaP纳米线由半导体向绝缘体转变；而ZnSe进入GaP晶格之后会引起GaP带隙收缩，当ZnSe含量在x= 0.182-0.209区间变化时，GaP-ZnSe伪二元固溶体的禁带宽度在1.95eV—2.2 eV内连续可调，发光波长在550nm—650nm内连续变化（图2）。此外，通过进一步控制ZnS在GaP母相晶格中出现超饱和现象，又成功制备出GaP-ZnS核壳异质结纳米材料。这些成分与带隙可调、光电性能可控的多组元固溶体和异质结纳米材料是制备高性能光电纳米器件的理想材料。相关成果发表在Nano Letters (2013,13, 85−90)，Adv. Funct. Mater (2015, 25, 2543–2551)和ACS Appl. Mater. Interfaces (2013, 5, 9199−9204)上。

　　最近，他们同材料特种制备与加工研究部研究员张劲松、姜春海合作，以SiC纳米线做模板，充分利用立方3C-SiC纳米线层错区域表面能高的特点来诱导六方GaN在3C-SiC缺陷区域的优先形核，成功地制备出立方碳化硅和六方氮化镓的异质结纳米结构（3C-SiC/WZ-GaN）。进一步控制不同阶段生长过程，可以在SiC纳米线表面获得周期性分布的GaN六棱锥及3C-SiC/WZ-GaN核壳等形貌多变的异质结纳米结构。这些具有独特结构和功能的半导体异质结纳米材料将为构建新型光电纳米器件如场效应管、光电探测器提供理想的模型材料。相关结果全文正式在线发表在美国化学会期刊《纳米快报》（Nano Letters 2015, 15, 7837−7846. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02454)上。

　　以上研究成果得到了国家自然科学基金、金属所“优秀学者”项目、金属所创新基金重点项目和中科院青年创新促进会项目的资助。

　　图1. (GaP)_x(ZnS)_1-x纳米线：(a) STEM照片及(b-f)各元素成分空间分布图；(g)纳米线径向及(h)轴向线扫描结果

　　图2. (a)不同名义成分(GaP)_1-x(ZnSe)_x纳米线光学照片；(b,c) (GaP)_1-x(ZnSe)_x纳米线发光波长、带隙宽度与成分间的关系

图3. WZ-GaN/3C-SiC异质结纳米线生长模型图