半導體納米材料兼具半導體材料和納米材料的諸多優(yōu)良光電性能，廣泛地應用在微小尺寸晶體管、二極管、高靈敏度光電探測器、高性能太陽能電池、氣體傳感和清潔能源制備等領域，是近年來納米材料領域研究的熱點之一。但由于本征半導體材料光學和電學性能單一，帶隙固定，其應用受到限制。將成分不同、光電性能差異明顯的半導體納米材料進行異質生長和相互固溶，形成尺寸、形貌及成分可調的多組元異質結和固溶體納米材料，就可以有效地調控半導體的禁帶寬度、發(fā)光波長、電輸運等性能，為半導體納米材料的光電性能調控提供新的思路。

　　基于結構及晶格匹配原理、充分考慮化學性能相近性及控制化學氣相沉積反應過程，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家(聯(lián)合)實驗室功能薄膜與界面研究部研究員姜辛和劉寶丹，通過巧妙的實驗設計，先后實現(xiàn)了GaP-ZnS和GaP-ZnSe不同二元半導體材料之間的相互固溶（圖1），并且發(fā)現(xiàn)當少量ZnS進入GaP晶格形成偽二元固溶體納米線之后，會引起電阻的急劇增加，誘導GaP納米線由半導體向絕緣體轉變；而ZnSe進入GaP晶格之后會引起GaP帶隙收縮，當ZnSe含量在x= 0.182-0.209區(qū)間變化時，GaP-ZnSe偽二元固溶體的禁帶寬度在1.95eV—2.2 eV內連續(xù)可調，發(fā)光波長在550nm—650nm內連續(xù)變化（圖2）。此外，通過進一步控制ZnS在GaP母相晶格中出現(xiàn)超飽和現(xiàn)象，又成功制備出GaP-ZnS核殼異質結納米材料。這些成分與帶隙可調、光電性能可控的多組元固溶體和異質結納米材料是制備高性能光電納米器件的理想材料。相關成果發(fā)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，他們同材料特種制備與加工研究部研究員張勁松、姜春海合作，以SiC納米線做模板，充分利用立方3C-SiC納米線層錯區(qū)域表面能高的特點來誘導六方GaN在3C-SiC缺陷區(qū)域的優(yōu)先形核，成功地制備出立方碳化硅和六方氮化鎵的異質結納米結構（3C-SiC/WZ-GaN）。進一步控制不同階段生長過程，可以在SiC納米線表面獲得周期性分布的GaN六棱錐及3C-SiC/WZ-GaN核殼等形貌多變的異質結納米結構。這些具有獨特結構和功能的半導體異質結納米材料將為構建新型光電納米器件如場效應管、光電探測器提供理想的模型材料。相關結果全文正式在線發(fā)表在美國化學會期刊《納米快報》（Nano Letters 2015, 15, 7837−7846. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02454)上。

　　以上研究成果得到了國家自然科學基金、金屬所“優(yōu)秀學者”項目、金屬所創(chuàng)新基金重點項目和中科院青年創(chuàng)新促進會項目的資助。

　　圖1. (GaP)_x(ZnS)_1-x納米線：(a) STEM照片及(b-f)各元素成分空間分布圖；(g)納米線徑向及(h)軸向線掃描結果

　　圖2. (a)不同名義成分(GaP)_1-x(ZnSe)_x納米線光學照片；(b,c) (GaP)_1-x(ZnSe)_x納米線發(fā)光波長、帶隙寬度與成分間的關系

圖3. WZ-GaN/3C-SiC異質結納米線生長模型圖