由于在诸多方面存在广阔的应用前景,半导体纳米材料如纳米线(带)等己成为当前全球科技界研究的热点。本文通过实验研究,系统地探讨了若干化合物半导体纳米线(带)的可控生长及掺杂,主要有CdS、CdSe纳米线(带)、Zn3P2纳米线、Zn3P2/ZnO、Zn3P2/ZnS核壳纳米线。基于这些纳米材料在某方面的优良性质,选择性地构建并研究了几种高性能的微纳器件。主要研究成果如下:　　(一)半导体纳米线(带)的可控生长与掺杂　　1.采用化学气相沉积法(CVD)合成了单晶CdS纳米线(带),并对其进行了详细的光学和电学表征。通过改变生长温度、载气流速、掺杂方式等生长条件,可以得到较为可控的形貌及掺杂浓度。采用了两种新方法对CdS纳米线/带进行了有效的刀型掺杂:一种是在生长后期加入适当的氧气在CdS晶体中造成S空位;另一种是在生长过程中加入Cd颗粒在CdS晶体中造成Cd富余。实验结果表明,富Cd的生长环境还能有效地改善产品的形貌分布,在同一片衬底上得到形貌均匀的纳米线或纳米带,避免了此前同一衬底上纳米线、纳米带混杂的缺点,为材料的后期应用提供了便利。　　2.首次采用Zn颗粒和InP粉末作为源,用无催化剂CVD方法合成了高质量高产量的Zn3P2纳米线,并对其形貌和性质做了详细表征。结果显示生长的Zn3P2纳米线具有单晶(直线形貌)和双晶(zigzag形貌)两种结构。光学表征显示其光谱只含有峰值为772 nm的带边峰,不含缺陷峰。通过电学表征证明生长的Zn3P2纳米线为p型导电类型。　　3.首次合成了Zn3P2/ZnO核壳同轴异质结纳米线,并对其进行了完备的表征。在Zn3P2纳米线的基础上,通过一种简易的表面氧化的方法获得该核壳纳米线。Zn3P2和ZnO均是良好的光电材料,Zn3P2为p型导电类型而ZnO一般为n型导电类型,并且由能带分析可知Zn3P2/ZnO为第二类半导体异质结,故该核壳结构在光伏器件中有潜在的应用价值。采用类似的方法还首次合成了Zn3P2/ZnS核壳同轴异质结纳米线。　　4.采用CVD方法合成了高质量的CdSe纳米带,并且通过富Cd的生长环境对CdSe纳米带的电子浓度进行了有效的调控。结果表明无Cd颗粒引入的生长环境下得到的CdSe纳米带呈本征高电阻,而通过在生长环境中引入Cd颗粒并通过调节其温度可以得到不同电子浓度的n-CdSe纳米带。　　(二)基于CdS纳米带高k介质HfO2的场效应器件　　1.首次报道了“Au顶栅/HfO2绝缘层/CdS纳米带”结构的金属－绝缘层－半导体场效应晶体管(MOSFET)。通过改变纳米带的厚度可以调节阈值电压,得到了耗尽型和增强型两类晶体管。其开关比、跨导、亚阈值摆幅、回滞等晶体管重要指标在当时报道的纳米线(带)MOSFETs中处于国际最优水平行列。通过能带图分析解释了此结构晶体管的阈值电压随纳米带厚度不同而改变的原因。这类通过改变有源层纳米材料尺寸来调节MOSFET阈值电压的原理具有普适意义,可以推广应用于其他半导体纳米线(带)。　　2.首次报道了基于CdS纳米带顶栅金属－氧化物－半导体场效应晶体管(MOSFETs)的高性能NMOS能逻辑电路。在单根纳米带上实现的反相器的反转电压在OV附近,在工作电压为7 V时增益达到72。通过适当设计负载和驱动晶体管的阈值电压,进一步得到了更高性能的反相器。该反相器具有诸多优点:具有大的供给电压VDD范围(50 mV～10 V)、超高的电压增益(VDD在0.2、1、10V时,增益分别为10,100和1000)、极小的功率消耗(在1 V的供给电压下开态的功率消耗不足7 nW)、接近理想的高低电平噪声容限(～0.5VDD)、以及良好的动态响应特性等。这些优良的性能参数使该反相器仍是目前报道的纳米反相器中的最优结果。此外,还构建了性能良好的NMOS“与非”、“或非”逻辑电路。　　3.首次报道了基于n-CdS纳米带的金量子点浮栅存储器。该存储器是通过在n-CdS MOSFEET的栅绝缘层HfO2中插入一层金量子点作为浮栅获得。发现了用一种简易的热蒸发的方法可以获得较为均匀分布的金属量子点(～3×1012cm-2)。该存储器在5 V的工作电压下可以获得3.2 V的存储窗口,具有良好的非易失性(>105s)和抗疲劳性(>104次)　　(三)半导体纳米线(带)光电探测器　　1.首次报道了基于单根p-Zn3P2纳米线的光电导型光电探测器。该探测器同时具有快的响应速度(～25μs)和高的光电导增益(>200),是目前报道的半导体纳米线(带)光电探测器中的最优结果。实验结果表明Zn3P2是一种良好的光电材料,Zn3P2纳米线光电探测器具有良好的应用前景。　　2.较为系统的研究并报道了半导体纳米材料的掺杂对其光响应特性的影响。实验中选取具有相同尺寸(宽度和厚度)的本征和n型掺杂的CdSe纳米带作为研究对象。结果表明,本征CdSe纳米带具有更快的光响应速度,而掺杂的CdSe纳米带具有更灵敏的光响应特性(对应更高的光电导增益)。由于掺杂在半导体纳米材料引入了不同数量的陷阱,从而导致了它们的光响应特性不同。另外,还探讨了“金属/半导体/金属”结构光电探测器中不同接触类型对光电响应的影响。实验结果发现肖特基接触类型(例如:“Ni/CdSe纳米带/Ni”)具有更快的光响应速度,而欧姆接触类型(例如:“In/CdSe纳米带/In”)则具有更灵敏的光响应特性。　　3.采用金量子点对CdSe纳米带进行表面修饰从而增强了其光响应特性。通过金量子点修饰后,CdSe纳米带光电探测器的暗电流减小了200倍而光电流增大了44％,对应的感光灵敏度提高了260倍。这些性能提高归功于金量子点在CdSe纳米带表面形成的局域肖特基势垒。