郑州大学xu zhang等–石墨烯薄膜上纳米线的自组织生长

纳米线（NWs）在石墨烯薄膜上的自组织生长是通过金属有机化学气相沉积的范德瓦尔斯外延机制实现的。这是一个基本的现象，与已知的生长机制，如自催化和金属催化的纳米线生长有着质的区别。我们提出了一个理论模型，解释了InGaAs NWs在石墨烯上的自组织成核，从InAs NW段的形成开始。然后，新形成的InAs NWs就像种子一样，启动了随后的InAs/InxGa1-xAs核壳NWs的生长，并有自发的相分离。该模型表明，由于石墨烯薄膜的引入，InAs和InGaAs纳米片在水平方向上的成核速度远远超过了垂直方向上的速度。它还通过考虑转化过程中InAs核和InGaAs壳的原子收集能力，分别阐明了为什么InAs核的半径要比InGaAs壳的厚度大2倍。因此，对石墨烯薄膜上自组织NW生长的理论分析对于进一步优化基于二维材料的NW的制造程序具有至关重要的意义。

图1. Ⅲ族原子在解吸前以扩散长度λ向石墨烯表面的凸起、扭结或缺陷积累和扩散。插图显示了石墨烯特定H位（蓝色固体循环）或H位和B位（绿色固体循环）上方（111）平面内的原子（In、Ga或As）的布局，以便与石墨烯晶格匹配。对于晶格常数为5.653 Å的砷化镓来说，H位与石墨烯的面内晶格错配为6.3%，而H位和B位与石墨烯的面内晶格错配为8.2%。

图2. InGaAs壳结构的成核过程。首先，InAs团簇在开始时形成，然后，在一定的临界半径下发生岛到NW的转变；第二，一旦圆柱形NW的InAs种子形成，额外的Ga原子就积累在石墨烯薄膜的顶部；第四，形成的InGaAs二维岛在水平方向（增长率为Vx）比垂直方向（增长率为Vy）拉长得更快，直到壳结构的侧壁面完全形成。最后，径向生长被终止，新形成的InGaAs壳和InAs核将作为种子，在垂直方向上启动异质结构NW生长，同时保持半径不变。由于两个相邻面之间的 “均匀扩散 “效应，(7)我们考虑腺原子从InAs NW顶部向其侧壁的逆向扩散。

图3. InAs/InGaAs NWs的生长动力学说明。L<λIn的短NW通过直接撞击和表面扩散从整个NW长度L生长，L>λGa的长NW从长度为λGa和λIn的顶部部分收集第三组原子，分别用于Ga和In原子的生长。

图4. InGaAs NWs壳中的平均铟含量以及Δμ(cIn)/Δμ(cGa)与蒸气中铟含量的比率（符号）。

相关研究成果由郑州大学Xu Zhang等人2023年发表在Crystal Growth & Design  (https://doi.org/10.1021/acs.cgd.3c00213)上。原文：Self-Organized Growth of Nanowires on a Graphene Film。