Ge基并轴异质结纳米线中应力分布和Raman谱的关系研究

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近年来, Ge基异质结纳米线器件因其优异的性能受到了越来越多的关注。同时,异质结晶格失配所导致的应力分布如何调制和影响纳米线器件性能也成为了研究的焦点之一。Raman谱是探测异质结纳米线中应力分布的有效手段,可适用于各种不同形貌、结构的纳米线。目前应力分布和 Raman谱的关系研究仅限于Ge基核壳结构异质结纳米线。而Ge基并轴异质结纳米线还没有开展这方面的研究。本文应用有限元法计算了并轴 Ge/CdSe和 Ge/ZnSe纳米线中应力的分布,并以此为根据进一步计算了Ge亚纳米线的Raman谱,研究了Ge基并轴异质结纳米线中应力分布和Raman谱的关系。主要内容包括:  1.利用一步热蒸发Ge和CdSe(或ZnSe)单质粉末,成功合成了Ge/CdSe(或Ge/ZnSe)并轴异质结纳米线。XRD结果表明所制得样品分别是由Ge和CdSe(或Ge和ZnSe)组成。SEM照片显示Ge/CdSe纳米线尺寸均匀;而Ge/ZnSe纳米线粗细不均,部分纳米线被不规则物包裹。根据HRTEM和EDS的检测结果,Ge/CdSe和Ge/ZnSe纳米线均存在清晰的界面;所不同的是Ge/CdSe纳米线没有明显的缺陷,而 Ge/ZnSe纳米线在ZnSe亚纳米线一侧存在明显的缺陷。  2.以HRTEM照片中异质结纳米线的界面信息为依据,建立以纳米线生长方向为轴的直角坐标系。测量纳米线中晶面和坐标轴的夹角,计算异质结两边的晶格和坐标轴的相对位置。把三维晶格分别投影到三个坐标轴上,将三维晶格失配问题转化为三个一维晶格失配问题。根据实际的晶格失配情况,建立纳米线三维模型的边界条件,把边界条件和材料弹性参数代入有限元分析软件得到两种并轴异质结纳米线的有限元模型。使用一种循环迭代的计算方法,在误差分析的基础上最终得到了Ge/CdSe和Ge/ZnSe并轴异质结纳米线的应力分布。结果表明在Ge/CdSe和Ge/ZnSe纳米线中,z轴方向的应力分量在各自的亚纳米线中是均匀,而其它应力分量在各自的亚纳米线的截面中均随位置的变化而变化。另外,本文中的Ge基并轴异质结纳米线不同于 Ge/Si 等核壳结构异质结纳米线,两种并轴结构纳米线中剪切应力不能完全忽略。  3.根据应力分布数据,首先建立扰动模型计算应力作用下,有限元模型中每个微元的Raman振动模,并拟合成相应的Raman谱;然后把每个微元的Raman谱叠加,即可以得到整体Ge亚纳米线的Raman谱;最后根据电磁场入射和出射选择定则,选择峰值相对强度最大的谱作为 Ge亚纳米线最终的Raman谱。研究发现Ge/CdSe和Ge/ZnSe并轴纳米线中Ge亚纳米线Raman谱频率的移动主要是受z轴方向应力的控制。和纯Ge纳米线的Raman谱相比,计算和实验得到的Raman谱的频移趋势相同而且半高宽都比纯Ge纳米线的宽。而Ge/CdSe和Ge/ZnSe纳米线中Ge亚纳米线Raman谱的峰位与半高宽的差异,主要源于Ge/ZnSe纳米线中ZnSe亚纳米线存在明显缺陷。
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