通过人工组分调控和设计，实现异质锗硅超晶格结构是探索新一代光电器件应用的基础。而在准一维的纳米线沟道中，能同时叠加组分（Compositional）和形貌（Geometric）变化对能带的调控能力，有望建立更为高效的物性调控新技术和新思路。传统锗硅异质（轴向）超晶格纳米线制备依赖于交替气氛供给的VLS生长模式，由于背景环境中的组分切换迟滞（reservoir）效应，难以获得非常“锐利”的组分调控。每个组分周期至少需要两次生长环境切变（switching）和清洗（purging）过程，故而生长制备成本高且非常缓慢。此外，竖直生长超晶格纳米线难以实现规模定位集成，这也为平面工艺应用带来巨大困难。
南京大学电子科学与工程学院余林蔚教授课题组，首次提出并尝试了一种全新的思路：将锗硅纳米线组分调控的切换任务，交付给在平面上滚动前进的纳米金属液滴来完成。例如，利用低熔点金属铟作为催化颗粒，以非晶a-Si/a-Ge叠层作为前驱体，铟颗粒在平面运动中在前端吸收非晶层并在后端淀积出晶态的纳米线结构。当液滴运动速度足够高的时候，由于本身“滚动”导致的内部输运涡旋作用，可自发地调制对底层a-Si/a-Ge叠层的吸收深度，在平面“动态跳跃”过程中，实现周期性、形貌和组分同步调制的嵌套异质锗-硅超晶格岛链纳米线（Ge/Si hetero island-chain nanowires, hiNWs）结构。实验发现，其异质锗硅纳米线结构的组分、周期和直径等关键参数均可通过非晶叠层设计和液滴大小控制有效调节。其中Ge成分在Ge/Si异质界面上可在几个纳米内完成75%Ge的自发转变，不需要任何外界人工调控干预。同时，锗硅超晶格纳米线可以被精确定位在指定区域，为后续电学接触和器件探索带来巨大方便。此项研究为探索新型纳米液滴动态物性调控手段，实现高效光电功能结构和器件应用奠定了关键基础。
图1. 动态跳跃液滴诱导生长异质锗-硅超晶格岛链纳米线结构。
本项研究成果论文近期发表在《Nano Letters》上，Nanodroplet Hydrodynamic Transformation of Uniform Amorphous Bilayer into Highly Modulated Ge/Si Island-Chains, Nano Letters, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b02847 (2018)。论文第一作者为博士生赵耀龙同学，通讯作者是南京大学余林蔚教授。相关工作得到了电子科学与工程学院的徐骏教授、施毅教授以及法国巴黎综合理工Pere Roca i Cabarrocas教授的大力支持。该项研究工作受到“青年千人计划”，国家自然科学基金，江苏省杰出青年基金和“双创人才”计划的资助。
相关文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b02847
（电子科学与工程学院 科学技术处）