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摘 要

锑化镓纳米线被视为第三代半导体材料，由于其禁带宽度窄、电子迁移率高及其它光电学性质优异，锑化镓材料有望在工艺上替代p型硅成为最佳的半导体材料，因而近年来受到大批学者的关注。当前对锑化镓纳米线的研究多数集中于纳米线制备及潜在的器件化应用尝试，在器件应用研究中，研究者发现锑化镓纳米线的结构和功能易受环境影响，限制着器件的可靠性和稳定性，这要求研究者还需要对锑化镓纳米线的生长/反应机制、结构稳定性和演化进行深入探索。

本文以化学气相沉积法（CVD）制备的锑化镓纳米线为研究对象对其结构稳定性开展研究，主要研究内容为：（1）通过透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）对生长获得的锑化镓纳米线的形貌、组成成分和晶体结构进行表征分析；（2）利用原位加热样品杆对锑化镓纳米线进行原位加热，分析其形貌、结构的变化；（3）设计对照实验，通过在大气环境下对锑化镓纳米线进行长时间放置或者在多种温度、时间下加热观察分析锑化镓纳米线的形貌和结构变化；（4）设计加热芯片和相应掩膜版，尝试在透射电镜中模拟CVD生长环境。研究结果表明，在高温下，锑化镓纳米线会发生热分解且在边缘形成三氧化二镓的氧化层；分解出来的镓元素会和众多金属形成合金；在自然环境条件下，锑化镓纳米线在溶液中的自然氧化速度相对缓慢，发生氧化反应会使其结构发生部分损坏；在环境加热条件下，锑化镓的氧化程度与温度和氧化时间成正比。本论文的研究可为推进锑化镓纳米线应用提供一些实际依据。

关键词：锑化镓纳米线，原位电子显微学，结构稳定性，加热，可靠性

Abstract

GaSb nanowires，known as a substitute material for P Type silicon, have drawn intense interest due to their narrow bandgaps, superior hole mobility (up to 1000 cm²/(V*s) theoretically) and excellent photoelectric properties. Currently, most of the investigations on GaSb nanowires focused on the preparation techniques and the potential applications. Some investigations showed that the quality of GaSb nanowires and the performance of GaSb-based devices were strongly influenced by the environments. This indicated that the structure stability of GaSb nanowires should be further investigated so as to improve the reliability of GaSb-based Nano devices.

In this thesis, the structure stability of GaSb nanowires were investigated. The GaSb nanowires were prepared by the chemical vapor deposition (CVD) method, and their morphology and structure were characterized by transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM), respectively. Both the structures of GaSb nanowires and the catalyst nanoparticles were analyzed. It showed that the composition ratio of the catalyst GaAu particles was Au0.79:Ga0.21. The dynamic morphology and structure evolution of GaAs nanowires at elevated temperatures were in situ monitored by a heating-holder-combined TEM. It is found that the nanowires were rapidly decomposed at high temperatures. Oxidation layers of Ga₂O₃ were identified on the outer surface of GaSb nanowires. The oxidation process and morphology change of GaSb nanowires in solution and atmosphere were both investigated, and the experiments demonstrated that the oxidation rate in solution was quite slow, with structural damage at certain positions. The oxidation processes of GaSb nanowires in atmosphere at different temperatures were further compared and discussed. Our findings may provide some information for the application of GaSb-nanowires-based device in future.

KEY WORDS: GaSb nanowires, In-situ electron microscopy, structure stability, heating, reliability

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 锑化镓纳米线简介 2

1.2.1 锑化镓材料特性 2

1.2.2 锑化镓材料应用 2

1.2.3 一维材料的简介 4

1.3 锑化镓纳米线研究进展 6

1.3.1 生长方法 6

1.3.2 生长机制 7

1.4 本篇论文的研究目的和内容 8

1.4.1 研究目的 8

1.4.2 研究内容及论文主要内容 8

第二章 实验方案及测试分析方法 10

2.1 实验材料和设备 10

2.2 实验具体步骤 10

2.2.1 制备透射电镜样品 10

2.2.2 透射电子显微镜的操作方式及数据处理流程 10

第三章 锑化镓纳米线显微结构探究 12

3.1 对锑化镓纳米线形貌、结构和成分分析 12

3.1.1 TEM测试图和EDX谱分析 12

3.1.2 分析纳米线的晶面结构 14

3.2 对催化颗粒形貌结构的表征 17

3.2.1 TEM测试图和EDX谱分析 17

3.2.2 分析催化颗粒的构成及晶面信息 21

第四章 锑化镓纳米线结构稳定性的分析 27

4.1 对锑化镓纳米线热稳定性的分析 27

4.1.1 实验方案的设计 27

4.1.2 实验探究过程 27

4.2 对锑化镓纳米线表面氧化情况的分析 32

4.2.1 实验方案设计 32

4.2.2 自然氧化导致锑化镓纳米线结构失效的情况 32

第五章 结论与展望 38

5.1 结论 38

5.2 后期展望及计划 38

致谢 41

参考文献 42

绪论

引言

随着全球科技快速的发展，当代社会已经步入信息时代，微电子技术和光电子技术作为信息领域的命脉无疑成为了科技发展的焦点，而半导体材料作为两种技术的基石，也凭借着自身的特点迅速地扩大着应用领域，从消费电子到移动通信，都随处可见半导体材料的大量应用。半导体材料的更迭换代通常引领着技术革命和新型产业的发展，第一代出现的硅基半导体是制作普通集成电路芯片的主要原料，它导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃，但是由于受限于材料特性，硅基半导体很难适用于高频、高压或是大电流场合下的芯片应用环境。随后化合物半导体因其优良的器件特性广泛适用于射频器件开始崭露头角。现如今，在化合物半导体中应用领域最广、产业化最成熟的便是Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。

Ⅲ-Ⅴ族半导体由于其可调整的禁带宽度和组成成分、超高的载流子迁移率，被认定有希望成为下一代电子光子器件的基本构建单元^[1]。特别是锑化镓（GaSb）纳米线，其禁带宽度为0.726 eV，理论上空穴迁移率更是可以达到1000 cm²/(V·s)这项数据是Ⅲ-Ⅴ族半导体中的最大值，这些使得锑化镓被认定为在工艺上替代p型硅的最佳半导体材料^[2-4]。

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