納米線（NWs）在石墨烯薄膜上的自組織生長是通過金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積的范德瓦爾斯外延機(jī)制實(shí)現(xiàn)的。這是一個(gè)基本的現(xiàn)象，與已知的生長機(jī)制，如自催化和金屬催化的納米線生長有著質(zhì)的區(qū)別。我們提出了一個(gè)理論模型，解釋了InGaAs NWs在石墨烯上的自組織成核，從InAs NW段的形成開始。然后，新形成的InAs NWs就像種子一樣，啟動(dòng)了隨后的InAs/InxGa1-xAs核殼NWs的生長，并有自發(fā)的相分離。該模型表明，由于石墨烯薄膜的引入，InAs和InGaAs納米片在水平方向上的成核速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了垂直方向上的速度。它還通過考慮轉(zhuǎn)化過程中InAs核和InGaAs殼的原子收集能力，分別闡明了為什么InAs核的半徑要比InGaAs殼的厚度大2倍。因此，對石墨烯薄膜上自組織NW生長的理論分析對于進(jìn)一步優(yōu)化基于二維材料的NW的制造程序具有至關(guān)重要的意義。
圖1. Ⅲ族原子在解吸前以擴(kuò)散長度λ向石墨烯表面的凸起、扭結(jié)或缺陷積累和擴(kuò)散。插圖顯示了石墨烯特定H位（藍(lán)色固體循環(huán)）或H位和B位（綠色固體循環(huán)）上方（111）平面內(nèi)的原子（In、Ga或As）的布局，以便與石墨烯晶格匹配。對于晶格常數(shù)為5.653 Å的砷化鎵來說，H位與石墨烯的面內(nèi)晶格錯(cuò)配為6.3%，而H位和B位與石墨烯的面內(nèi)晶格錯(cuò)配為8.2%。
圖2. InGaAs殼結(jié)構(gòu)的成核過程。首先，InAs團(tuán)簇在開始時(shí)形成，然后，在一定的臨界半徑下發(fā)生島到NW的轉(zhuǎn)變；第二，一旦圓柱形NW的InAs種子形成，額外的Ga原子就積累在石墨烯薄膜的頂部； 第四，形成的InGaAs二維島在水平方向（增長率為Vx）比垂直方向（增長率為Vy）拉長得更快，直到殼結(jié)構(gòu)的側(cè)壁面完全形成。最后，徑向生長被終止，新形成的InGaAs殼和InAs核將作為種子，在垂直方向上啟動(dòng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)NW生長，同時(shí)保持半徑不變。由于兩個(gè)相鄰面之間的 "均勻擴(kuò)散 "效應(yīng)，(7)我們考慮腺原子從InAs NW頂部向其側(cè)壁的逆向擴(kuò)散。
圖3. InAs/InGaAs NWs的生長動(dòng)力學(xué)說明。L<λIn的短N(yùn)W通過直接撞擊和表面擴(kuò)散從整個(gè)NW長度L生長，L>λGa的長NW從長度為λGa和λIn的頂部部分收集第三組原子，分別用于Ga和In原子的生長。
圖4. InGaAs NWs殼中的平均銦含量以及Δμ(cIn)/Δμ(cGa)與蒸氣中銦含量的比率（符號）。
相關(guān)研究成果由鄭州大學(xué)Xu Zhang等人2023年發(fā)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。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
