摘要
InAs1-xSbx和GaSb纳米线具有高的迁移率、窄的直接带隙、强的白旋轨道耦合和大的朗德g因子等优异的物理特性，是研制低功耗电子器件、红外光电器件和量子器件的理想材料。然而，Sb作为一种表面活性剂会抑制纳米线轴向生长，高质量三元InAs1-xSbx和二元GaSb纳米线的可控制备尚未实现。本论文围绕高质量InAs1-xSbx和GaSb纳米线的分子束外延及输运性质开展研究，主要结果如下: (1)实现了大组分可调高质量InAs1-xSbx纳米线的分子束外延可控制备。目前，人们在所有半导体衬底上直接外延的InAs1-xSbx纳米线的Sb含量均小于0.35。并且，这些InAs1-xSbx纳米线中总是会出现大量的层错及孪晶缺陷。特别是，纳米线径向上还会形成自发核壳结构。为了解决这些问题，我们提出使用Ag做催化剂来制备InAs1-xSbx纳米线。通过调控Sb束流，成功在Si衬底上生长出了大组分可调的InAs1-xSbx纳米线。纳米线最高Sb含量x可达0.63，约为文献报道结果的两倍。通过增加Sb含量、减小纳米线直径以及调节纳米线生长方向，我们获得了高晶体质量纯闪锌矿及纯纤锌矿结构的InAs1-xSbx纳米线。特别地，纳米线中Sb元素分布均匀，没有形成自发核壳结构，表明我们在国际上首次制备出了组分分布均匀的三元InAs1-xSbx纳米线。7K时，InAs1-Sbx纳米线的迁移率可达4200 cm2V-1s-1，进一步证实InAs1-xSbx纳米线具有高的晶体质量，为下一步研制基于该材料的电子器件及量子器件奠定了基础。此外，为了控制InAs1-xSbx纳米线的生长方向，我们还在不同晶向的Si和GaAs衬底上生长了InAs1-xSbx纳米线。结果表明，在GaAs (111)B衬底上，非[111]纳米线的生长可以被明显抑制，能够得到高密度垂直于衬底生长的InAs1-xSbx纳米线，这为实现InAs1-xSbx纳米线的全定向生长做好了铺垫。 (2)在Si衬底上实现了立式GaSb纳米线的分子束外延生长。Si衬底难以控制的表面态不利于GaSb纳米线的外延生长，一直以来，人们无法在Si衬底上直接生长出GaSb纳米线。为解决这一难题，我们提出利用解理的Si衬底来制备GaSb纳米线。研究发现，无需引入外来催化剂，可以在解理Si衬底上成功生长出Ga自催化和无催化的GaSb纳米线。GaSb纳米线的生长窗口较窄，对生长温度和Ⅴ/Ⅲ比十分敏感。透射电镜结果表明，这些纳米线总是沿能量最低的<111>方向定向生长。该研究为Si衬底上GaSb纳米线的制备提供了一种新的办法。 (3)在Ⅳ族图形衬底上实现了面内InAs1-xSbx纳米线网络的选区外延。强白旋轨道耦合半导体纳米网络是构建拓扑量子器件和线路的重要材料平台。目前，人们主要在Ⅲ-Ⅴ族衬底上开展了二元InAs和InSb纳米线网络的平面选区外延。理论预言，三元InAs1-xSbx比二元的InAs和InSb具有更强的自旋轨道耦合以及更大的g因子，与超导复合非常适合用于拓扑量子计算研究。我们利用分子束外延技术，首次探索了三元InAs1-xSbx纳米线网络的平面选区外延。研究发现，InAs1-xSbx纳米线网络在Ⅳ族图形衬底上具有良好的选择性。其中，在Si图形衬底上，由于衬底表面存在自然氧化层，难以制备出形貌均匀的InAs1-xSbx纳米线网络。基于原位退火工艺，在Ge图形衬底上可以成功制备出形貌均匀的面内InAs1-xSbx纳米线。详细的透射电镜分析表明，在Ge图形衬底上可以获得组分分布均匀的高质量InAs1-xSbx纳米线。这一结果为后面在Ge图形衬底上选区外延出大面积高质量InAs1-xSbx纳米线网络做好了铺垫。
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