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前沿院胡昊课题组在异质外延生长纳米结构的理论研究方面取得新进展
点击数:1764    更新时间:2016/7/28 16:40:02

 

半导体表面异质外延生长的应变岛因其成核生长行为的复杂性及其可能作为量子点而被应用于纳米电子器件、纳米光学器件而持续受到基础研究和应用研究领域学者的关注。应变岛在表面的成核过程是热驱动的随机过程,成核驱动力为形成3D岛结构时的应变弛豫。一般实验上,通过对基底进行模版化,改变岛形成时的应变弛豫,从而控制应变岛的生长位置及尺寸分布。前沿院胡昊博士在之前的研究工作中曾运用线性弹性近似下的表面弹性力学理论,研究了应变岛在模版化基底上的生长(Phys. Rev. Lett. 101, 216102(2008)),发现应变岛在表面凹槽区域应变弛豫更强,从而建议在表面以凹槽或坑等模板来可控生长应变岛,受到国际上很多实验组的关注。由于采用了线性弹性模型,该结论只适用于应变岛侧面角较小,模版化基底表面倾斜角较小的情况。近些年随着实验研究的不断深入,关于大侧面角应变岛,大倾斜角基底的研究越来越多,进而发现了很多奇异的成核生长行为,而这些行为均无法用之前的理论模型来解释。

  前沿院胡昊博士与美国犹他大学刘峰教授,成都电子科技大学牛晓斌教授针对这一问题进行了合作研究。他们首先扩展了之前的线性弹性理论模型,引入了由应变岛水平应变沿z方向的弛豫引起的非线性弹性效应,构建了应变岛成核生长的非线性弹性模型。研究发现,非线性弹性效应会引起应变岛的热力学自限制生长机制,该机制会阻碍超出一定尺寸的相干应变岛的应变弛豫,这与线性弹性理论下应变弛豫随应变岛尺寸增大而无限增大相反。这种自限制生长依赖于岛的侧面角,当应变岛在坑模版化基底生长时,也依赖于坑的侧面角。利用岛的自限制生长机制,成功解释了应变岛在大倾斜角基底生长的奇异成核生长行为。该工作极大加深了对异质外延生长纳米结构机理的认识,解释了之前大部分实验现象,同时为可控生长纳米结构提供了理论基础。

该项工作得到了国家自然科学基金,西安交通大学前沿院科研启动项目等经费支持,相关论文发表在国际纳米材料领域权威期刊Nano Letters(影响因子13.592)上,题为“Thermodynamic Self-Limiting Growth of Heteroepitaxial Islands Induced by Nonlinear Elastic Effect”。西安交通大学为该论文第一作者单位。

  论文链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b01525

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