半导体纳米线——宏观牛顿世界与微观量子世界的理想桥梁.PDF

中国科学: 物理学 力学 天文学 2013 年 第43 卷 第11 期: 1470– 1510 SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica Astronomica SCIENCE CHINA PRESS 自然科学基金项目进展专栏·评述 半导体纳米线——宏观牛顿世界与微观量子世界 的理想桥梁 * 冯孙齐, 俞大鹏 , 赵清, 廖志敏 北京大学物理学院, 纳米结构与低维物理实验室和人工微结构与介观物理国家重点实验室, 北京 10087 1 *联系人, E-mail: yudp@ 收稿日期: 2013-08-01; 接受日期: 2013-08-14 国家重点基础研究发展计划(编号: 2013CB932602, 2009CB623703, 2007CB936202, 2002CB613505) 、国家自然科学基金(批准号: 和国家国际合作专项(编号: 2010DFA01810)资助项目 摘要 本文以我们的研究团队自 1995 年以来在半导体纳米线材料与物理研究中所做的科研工作为主 线, 从如何自下而上地规模、可控制备硅等半导体纳米线的开创性研究工作开始, 着重介绍半导体纳米 线独一无二的物理性质的代表性研究工作, 以及它们在高品质真空电子源、新型高效光电器件、新能源 器件方面的潜在应用的研究成果. 最后, 对半导体纳米线的未来发展前景进行了展望. 关键词 半导体纳米线, 低维结构, 量子尺寸效应, 表面效应, 应变效应, 场发射, 光电效应, 量子与自 旋输运 PACS: 61.46.Km, 73.63.-b, 75.75.-c, 78.67.-n doi: 10.1360/132013-353 1 前沿——半导体纳米线研究的意义与最 构材料维度的不断减少、接近一些特征物理量的尺度, 新研究进展 如电子波的玻尔半径、电子散射平均自由程、相位相 干长度等特征物理尺度时, 量子力学特征会占主导地 人工低维结构是现代科学与技术的基石之一. 位, 在输运等物理性质上呈现出不同于宏观尺度电子 例如, 半导体超晶格量子阱结构材料带来了现代微 器件的新颖性质, 并有可能带来新的技术革命. 因此, 电子工业与技术的飞速发展. 人工低维结构的一个 开展低维纳米结构及其相关物理研究具有极其重要的 典型代表就是由仅约2 nm 厚的磁性金属-非磁金属交 [1] 科学意义, 同时还具有非常巨大的潜在应用价值. 替形成的三明治结构, 呈现出巨磁阻(GMR)效应 , 不仅带来了自旋电子学的兴起, 也引起了信息存储 半导体纳米线是一种特殊的低维人工微结构, 等领域工业革命, 基于 GMR 的信息存储技术产业现 与其他低维纳米材料如量子点、纳米碳管、分子导线 在每年的全球产值高达数十亿美元. 随着人工微结 等相比, 具有其独特的优点: (1) 与量子点相比, 纳 引用格式: 冯孙齐, 俞大鹏, 赵清, 等. 半导体纳米线—宏观牛顿世界与微观量子世界的理想桥梁. 中国科学: 物理学 力学 天文学, 2013, 43: 1470– 1510 Feng S Q, Yu D P, Zhao Q, et al. Synthesis, physical properties and applications of semiconductor nanowires (in Chinese). Sci Sin-Phys Mech Astron, 2013, 43: 1470– 1