随着信息社会的飞速发展以及我国大力推行“互联网+”战略,物联网、大数据、云计算、人工智能等新兴技术的不断涌现,直接带动了传统行业的颠覆和极大变革。人类社会即将进入到真正的数据时代,由此产生的海量数据传输、交换、处理及存储对器件的体积、功耗、成本等方面提出了更高、更为苛刻的要求,在此背景下光电子器件的微型化、集成化已是大势所趋;另外,随着物联网产业的发展和成熟,人类社会也正在进入万物互联、智慧互联时代,智能制造、智能驾驶、智能家居、智慧医疗、智慧养老等概念及应用层出不穷,人们也迫切需要器件具有智能感知的功能。利用自卷曲微纳技术制备出的半导体微米管,是一种三维微纳管状功能结构,具有微纳尺度,对器件微型化、集成化有着重要作用,已在集成电路、光电子集成等领域展现出的应用前景;其本身还具有中空的管状结构,可以充当优良的流体通道,而且可以形成光学谐振腔,或填充智能传感材料,从而在微纳传感和微流控等智能感知领域广泛应用。利用自卷曲半导体微米管制备高品质因子的有源回音壁模式光学微腔,进而实现低功耗、高稳定性的微米管激光器,对于解决光电子集成和数据光互联实用化所面临的最大技术瓶颈意义重大。在微米管光学微腔中引入低维纳异质结构作为增益介质,可以显著提升光学微腔及微米管激光器的关键性能,因此受到研究人员的极大关注。与此同时,微米管光学微腔可借助周围折射率变化实现感知功能,若进一步将纳米传感功能材料引入到自卷曲微米管中,就可以制备出具有管状通道的新型传感器件,从而拓展微米管传感器种类及其应用领域。为此,本论文中分别将III-V族半导体自卷曲微米管与自组装InAs量子点及石墨烯相结合,制备了相应的自卷曲管状半导体功能结构的器件雏形并开展了相关研究,拓展了半导体自卷曲微米管的应用。论文已开展的相关研究工作以及取得成果如下:1、成功制备出了管壁嵌入单层InAs量子点的Si基微米管光学谐振腔,并在80K低温下观测到回音壁模式通过一种乙醇辅助的简单转移方法,将已制备出的GaAs基内嵌单层InAs量子点的非悬空微米管转移至低折射率Si基SiOx衬底上,并利用微区光荧光谱仪在80K下测得品质因子达700左右的回音壁模式(室温下仍观察不到谐振模式),获得Si基有源回音壁模式光学微腔,解决了 GaAs基非悬空量子点微管无法测得回音壁模式的问题。之后,又采用U形撕裂的制管方法,在自卷曲量子点微米管的外边缘引入正弦形图案从而形成了轴向限制,最终使得Si基有源光学微腔的品质因子从700左右提高到1100 左右(80K)。2、引入AlGaAs限制层后,在室温下观测到了 Si基量子点微米管谐振腔中的回音壁模式在量子点微米管外延结构中引入了上、下AlGaAs限制层,转移完成后成功地在室温下从Si基量子点微米管光学谐振腔中观察到回音壁模式,谐振模式位于1.1μm波段,品质因子最高达550左右。低温(80K)下对比有AlGaAs限制层和无AlGaAs限制层的Si基量子点微米管光学谐振腔的光致发光(PL)谱发现:AlGaAs限制层可以有效地限制住单层InAs量子点产生的载流子,使得量子点的PL强度增加一个数量级,回音壁模式也变得更加清晰。这为进一步研制基于量子点微米管谐振腔的Si基光源奠定了重要的基础。3、发现III-V族半导体微米管光学谐振腔具有良好的温度稳定性在80—280K温度范围内(40K温度间隔),对引入AlGaAs限制层的Si基量子点微米管谐振腔进行了变温PL谱测试,实验发现:温度每升高100K,两个主要回音壁模式仅红移2.65nm和2.3nm,表明该光学谐振腔温度稳定性优良。实验数据与用半定量方法计算得到的理论峰位红移值(4.25nm)非常接近。这部分研究结果对于研制基于III-V族半导体材料的高折射率微米管光学微腔(neff>3)激光器和传感器具有重要意义。4、利用微纳自卷曲技术成功制备出了卷曲石墨烯,实现了对卷曲石墨烯的应变调控,在此基础上设计了一种卷曲石墨烯气体传感器将化学气相沉积(CVD)方法制得的石墨烯分别转移到GaAs基和Si基InGaAs/GaAs应变双层上,随后借助应变驱动的微纳自卷曲工艺制备出了管径分别为4.7μm和3.7μm的高质量卷曲石墨烯结构,卷曲石墨烯与InGaAs/GaAs自卷曲微米管的管壁结合紧密。研究发现:卷曲后,CVD石墨烯由无应变转变为明显的张应变,且应变来自于应变双层卷曲后的GaAs层;改变微米管直径可以有效调控卷曲石墨烯的应变大小,随着管径的减小卷曲石墨烯所受应变增大。在此基础上,设计了一种内嵌石墨烯气体传感单元的新型微米管气体传感器并初步进行了制备工艺的可行性探索。此部分研究工作为制备卷曲石墨烯及石墨烯的应变调控提供了一种简单灵活的解决方案,同时拓展了微纳自卷曲技术的应用范畴。