纳米线／量子点复合结构

由于其独特的形貌和尺寸特征，纳米线为低维异质结构（包括量子点）的制备提供了多个自由度。通常，纳米线中的组分或晶相可以沿径向或轴向变化。如果材料发生突变，将形成核－壳（径向）或轴向异质结构。进一步地可以形成量子异质结构，包括嵌入在纳米线中的量子阱、量子线和量子点。纳米线的形状和尺寸特征保证了与宏观世界的连通，无论是电学接触还是光子发射。

在纳米线中嵌入量子点的意义之一是，由于耦合腔模式（Purcell效应）、波导以及对内部全反射的抑制，光萃取效率在理论上能达到100%。与此一致，基于纳米线量子点的单光子亚波长探测器已研制成功［21，22］。同时，由于大的表面－体积比，外围量子点对外部电磁场具有更高的灵敏度。量子点还可以嵌入在纳米线轴向p－n结中，通过电子空穴对复合使量子点发射光子。纳米线的特殊形状使得能够通过栅极施加外部电场对纳米线的态密度进行操控。这已被用于通过局部分布式栅控在纳米线中引入量子点。在这种情况下，量子点不是常规意义上的材料差异形成的。这种类量子点的量子限制是通过利用窄的栅电极施加合适的电压来调节局部费米能级实现的。

纳米线量子点的另一个优势是其材料组合的选择非常广泛。对于直径为几十纳米的纳米线，晶格失配产生的应变能以更有效的方式释放，因此降低了对于两种异质材料之间的晶格失配的要求。最后，纳米线的高表面－体积比允许存在块体材料中不会出现的晶相。在III－V族纳米线中，通过控制闪锌矿和纤锌矿交替生长，可以成功制备出相同材料的II型纳米线量子点。

纳米线量子点的制备存在两种相反的方法：自顶向下和自底向上。在自顶向下的方法中，对含有量子点的衬底进行局部刻蚀，形成一维结构。由于衬底包含一层量子点，刻蚀出的纳米线中可以嵌有一个或多个量子点，取决于量子点的密度和纳米线的直径。在自底向上的方法中，量子点在纳米线生长过程中形成，仅仅通过改变反应物。该方法提供了额外的自由度，可以在纳米线的径向和轴向上得到低维异质结构。特别地，由于纳米线表面的应变释放能力，即使两种失配较大的材料，也可以制备出无缺陷的纳米线异质结构。一般地，自底向上的纳米线依赖气－液－固方法制备，使用纳米金属液滴（通常为金液滴）来进行纳米线的生长。有序纳米线阵列也可以通过对金薄膜进行光刻实现，具有巨大的技术潜力。由于在半导体中，金元素的污染可能对纳米线和纳米线量子点的光学特性带来不利的影响，因此无催化的纳米线生长方法尤为重要。后面将讨论在Ga催化的GaAs纳米线中生长量子点的方法。在该方法中，Ga液滴作为GaAs纳米线的驱动力。该方法可应用于GaAs和Si衬底上。基于该方法的有序纳米线阵列也可以通过光刻方法制备。纳米线和纳米线量子点可以通过金属有机气相外延或金属有机化学气相沉积、化学束外延、分子束外延技术制备。

纳米线量子点的应用范围极为广泛。本节将重点介绍基于自底向上的生长方法在III－V族半导体纳米线上制备量子点。III－V族半导体量子点是半导体光电子学的一个重要组成部分。例如，在这些结构中已经实现了室温激光激射。下一代太阳能电池和自旋电子学中的许多概念都要涉及III－V族半导体量子点。基于纳米线特殊的性质，纳米线量子点将进一步拓展量子点技术，实现更为新颖的应用。