[发明专利]图形化生长量子点的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种图形化生长量子点的方法。

背景技术

量子点材料的电子结构非常类似于普通原子，一直以来就是低维纳米功能材料中最重要的一员。它凭借诸多显著的量子效应(例如：量子尺寸、量子遂穿、库伦阻塞、量子干涉、多体关联等)可广泛应用于光子、电子、能源以及医疗等各个领域。其中S-K模式自组织生长方法是目前制备量子点材料最常用的手段，几乎可覆盖主要的半导体材料体系：包括InAs/GaAs量子点、Ge/Si量子点、InSb/GaSb量子点、以及GaN/AlN量子点等。该技术最大的优势就是能制备出无缺陷的量子点材料，但是由于其生长过程属于一种动力学随机过程，故其对量子点的尺寸、密度、分布缺乏严格的控制，尤其是量子点的空间分布具有极大的无序性。这将严重制约量子点在基础研究以及器件开发中的应用——特别是中间带太阳能电池、单电子晶体管、元胞自动机、单光子光源以及量子计算等前沿领域对量子点的可控生长提出了极高的要求。因此，实现量子点的有序生长具有极其重要的意义。然而目前该领域最广泛采用的图形衬底方法很难获得高质量的量子点材料。

目前关于量子点有序生长的报道大致可分为以下两类：第一类是基于非图形衬底的研究：比较典型的技术有Self-Organized Anisotropic Strain Engineering[1]、Cleaved Edge Overgrowth[2,3]以及Vicinal Surfaces[4]。这类方法最大的优点是可获得低缺陷密度、高晶体质量的量子点材料，但基本局限于生长一维量子点链的结构。即使在一维链状结构中，量子点的位置、大小、密度仍表现出较强的随机性，具有较差的一致性和重复性，且不能满足大面积制备。因此，该类技术存在着明显的壁垒和局限。

第二类是基于图形衬底的研究：即通过各种微纳加工手段在光滑衬底上预先形成周期性分布的“孔”、“洞”等图形结构，然后诱导量子点在这些“孔”、“洞”内成核长大，从而实现量子点的有序生长。凭借当前极其成熟的微纳制造工艺水平，图形衬底技术是目前最广泛应用的量子点有序生长技术。故本部分的研究多是围绕“不同图形衬底制备方法”的报道：代表性的有Electron-Beam Lithography[5]、Optical Lithography[6]、Nanoimprint Lithography[7]、AFM-based Patterning[8]、Anodic Aluminum Oxide[9]、Nanosphere Lithography[10]、Block Copolymer Lithography[11]等。虽然该类技术能非常有效地控制量子点的位置、大小、密度等参数，但是其制备的量子点普遍具有较高的缺陷以及杂质水平，极大影响了材料的光电性能；且这一问题是由于技术原理引起的(衬底图形化制备过程将不可避免地对材料造成破坏和污染)，故很难通过技术进步彻底解决和消除。

综上所述，使用一种极其简单、低廉和高效的工艺，制备出“无缺陷、均匀、可控的完美量子点”将具有革命性意义。

[1]Sritirawisarn,Nut,et al.Journal of Applied Physics 102.5(2007):053514.

[2]Schedelbeck,Gert,et al.Science 278.5344(1997):1792-1795.

[3]Wasserman,D.,and S.A.Lyon.Applied physics letters 85.22(2004):5352-5354.

[4]Kim,Hyo Jin,et al.Applied Physics Letters 78.21(2001):3253-3255.

[5]Nakamura,Y.,et al.Physica E:Low-dimensional Systems and Nanostructures 21.2(2004):551-554.

[6]Ekber,A.Yu Silov,and RichardApplied Physics Letters 94.26(2009):263108.

[7]Tommila,J.,et al.Journal of Crystal Growth 323.1(2011):183-186.

[8]Kim,Jong Su,Mitsuo Kawabe,and Nobuyuki Koguchi.Applied physics letters 88.7(2006):072107.