纳米线的平面内生长

纳米线通常沿垂直于衬底或沿与衬底成某个角度的方向生长，这种生长方式已经取得了巨大的成功。另一种生长方式是沿与衬底表面平行的方向生长，该类纳米线具有明显的优点。例如，垂直形状（如在〈111〉衬底上生长的〈111〉纳米线）导致高的纵横比，增加了器件制备的复杂程度。而生长在平面内的纳米线更适合于常规的平面加工技术。平面内纳米线生长通常有两种方法：①从衬底表面的蚀刻面（如侧壁和V型槽）生长纳米线；②在非常规生长条件下在衬底表面平面生长纳米线。第一种方法最初用于生长GaAs，但已被广泛应用于Si。在Si（110）衬底上，可以用各向异性蚀刻，很容易具有（111）侧壁的深沟槽。然后沉积Au纳米颗粒，Si纳米线可以在一个（111）侧壁上成核，并桥接到相邻的侧壁。类似的方法可用于其他材料系。这里重点介绍第二种方法，即纳米线沿平行于衬底表面的非常规方向生长。

在蓝宝石和GaN衬底表面可以观察到平面状的“爬行”ZnO纳米线与其他垂直生长模式混合在一起。这些“爬行”的ZnO纳米线通常为根状，且生长方向随机，与下面的衬底没有明确的晶体学关系，结晶较差，因此通常被认为是一个麻烦，如在解释光致发光发射光谱时。Wang等人发现，当使用AlxGa1－xN衬底时，ZnO纳米线的爬行生长被抑制。Fan等人研究发现，在使用CVD法在（0001）GaN衬底上生长ZnO纳米线时，随着温度的升高和Au催化剂尺寸的增加，爬行生长更为普遍，表明从原始Au颗粒中扩散出的Au催化“爬行”生长［51］。通过将ZnO纳米线的生长限制在GaN表面的平行裂纹中，Fan等人利用爬行ZnO纳米线的交叉实现了整齐的纳米墙［51］，类似于其他研究组的随机方向ZnO纳米线。

Nikoobakht等人使用相输运过程和Au催化剂在a蓝宝石衬底上生长出排列整齐的平面ZnO纳米线。平面ZnO纳米线的生长轴沿±（1－100）方向，与蓝宝石衬底的［1－100］方向平行，表明纳米线和衬底之间具有外延关系。如前所述，a面ZnO与c面蓝宝石的晶格非常匹配，因此这种平面ZnO纳米线应当在a面蓝宝石表面近乎无应变地生长。

Quitoriano等人发现了一种利用SiO2引导层控制〈110〉Si纳米线的新方法，如图3.6所示［52，53］。使用KOH来刻蚀SOI Si（001）衬底的顶部Si层并暴露出下面的掩埋氧化物（BOX）。通过刻蚀BOX，顶部Si层进一步底切，从而形成悬出沟槽的Si台。Au纳米颗粒沉积在Si台上，用于成核纳米线生长。令人惊奇的是，朝BOX生长的〈111〉纳米线在其接触到BOX时会转为沿〈110〉方向生长，如图3.6（a）所示。Au和Si之间的界面保持单一（111）面。然后纳米线继续在BOX的顶部沿〈110〉方向生长，直到到达相邻的平台。这使得以一段〈110〉桥接纳米线连接两个电极成为可能，可以形成孤立的FET器件。Quitoriano等人通过在Si（001）衬底上形成Au图案进一步拓展了这种SiO2引导技术。他们发现，有可能通过氧化物窗口生长处于能量劣势的垂直〈001〉Si纳米线［53］。

图3.6 使用SiO2引导生长的Si纳米线

目前仅有少数在（001）和（111）B衬底表面上生长III－V族纳米线的研究：通常终止于〈111〉B纳米线的根部。III－V纳米线有时会在（001）表面的［1－10］或［－110］方向上生长几百纳米，然后突然转变为更典型的〈111〉B方向。Mikkelson等人使用扫描隧道显微镜（STM）全面研究了这种平面纳米线的生长，发现纳米线与（001）衬底具有外延关系。不出所料，功能化表面的PLL会阻挡平面纳米线的生长［34］。Zhang等人观察到GaAs（111）B衬底上金催化的InAs纳米线的平面生长。这些平面InAs纳米线的生长原因是Au与InAs纳米线维持｛111｝界面，而与GaAs表面之间为（111）B界面，因此纳米线可以沿衬底表面的6个〈112〉方向生长。

目前可以利用大气压MOCVD和Au催化剂在GaAs（001）表面上生长平面〈110〉方向的GaAs纳米线，如图3.7所示［55，56］。在低温（＜450℃）下，GaAs纳米线优先沿〈111〉B方向生长，而在较高的生长温度（＞450℃）下，纳米线优先沿平面〈110〉方向生长，如图3.7（a）与图3.7（b）所示。TEM的测试结果显示，平面〈110〉纳米线为闪锌矿结构，大多没有堆垛层错，且与（001）表面具有外延关系，如图3.7（c）所示，这已经被证明，平面〈110〉纳米线的生长不依赖于纳米线直径，并且在较大范围的V／III（36～90）内似乎没有变化。使用n型平面〈110〉GaAs纳米线（Nd＝2.3×1017 cm－3）作为金属半导体场效应晶体管（MESFET）的沟道材料，测得电子的迁移率为4 120cm2·（V·s）－1，表明平面GaAs纳米线的材料质量极高。平面〈110〉GaAs纳米线也可以先在牺牲层（如AlxGa1－xAs）上生长，然后通过湿法刻蚀去除牺牲层，将平面纳米线从衬底释放出来，然后转移到其他衬底（如Si）上。可以使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）印模来拣起释放的平面纳米线，并放置到另一衬底上。图3.7（d）为转移到Si衬底的平面〈110〉GaAs纳米线。显然在纳米线转移后，整体和局部的定位和排布得以维持。随着进一步的发展，该技术有望作为在Si和其他衬底上获得位置可控和排列整齐的纳米级III－V材料的晶片级方法。

图3.7 （001）GaAs衬底上的平面〈110〉GaAs纳米线［55］