自催化GaAs纳米线角度稳定性X射线衍射分析及其在太阳能光捕获与发光器件中的未来应用

摘要： 半导体纳米线是一类在太阳能电池和发光器件应用中日益受到关注的新兴材料。实现可重复的加工条件对其未来大规模生产至关重要。本研究采用时间分辨原位微区X射线衍射（XRD）与扫描电子显微镜联用技术，探究了单个外延生长GaAs纳米线在分子束外延（MBE）加工条件下的稳定性。我们提出的微区XRD方法是一种无损表征技术，可在MBE加工条件下检测不同尺寸、晶向及结构的纳米对象。实验通过自催化MBE工艺在预图案化Si(111)衬底上生长纳米线。当在610°C条件下不供应源材料或仅供应砷源时，观察到纳米线晶面发生蒸发但未形成镓液滴。此外，原本垂直于衬底生长的纳米线会出现角度失稳现象——逐渐倾斜直至平躺在衬底表面。在倒伏前，微区XRD数据证实纳米线存在振动/弯曲行为。值得注意的是，当恢复包含镓砷双源的原始生长条件时，这种振动/弯曲现象被抑制且倾斜状态可逆转。本研究成果还为通过消除必然伴随纳米线生长的寄生生长物，实现自催化GaAs纳米线的定向工程化生长提供了新思路。