前沿院胡昊課題組在異質外延生長納米結構的理論研究方面取得新進展

半導體表面異質外延生長的應變島因其成核生長行為的複雜性及其可能作為量子點而被應用於納米電子器件、納米光學器件而持續受到基礎研究和應用研究領域學者的關注。應變島在表面的成核過程是熱驅動的隨機過程，成核驅動力為形成3D島結構時的應變弛豫。一般實驗上，通過對基底進行模版化，改變島形成時的應變弛豫，從而控制應變島的生長位置及尺寸分布。前沿院胡昊博士在之前的研究工作中曾運用線性彈性近似下的表面彈性力學理論，研究了應變島在模版化基底上的生長(Phys. Rev. Lett. 101, 216102(2008))，發現應變島在表面凹槽區域應變弛豫更強，從而建議在表面以凹槽或坑等模板來可控生長應變島，受到國際上很多實驗組的關注。由於採用了線性彈性模型，該結論只適用於應變島側面角較小，模版化基底表面傾斜角較小的情況。近些年隨著實驗研究的不斷深入，關於大側面角應變島，大傾斜角基底的研究越來越多，進而發現了很多奇異的成核生長行為，而這些行為均無法用之前的理論模型來解釋。

前沿院胡昊博士與美國猶他大學劉峰教授，成都電子科技大學牛曉斌教授針對這一問題進行了合作研究。他們首先擴展了之前的線性彈性理論模型，引入了由應變島水平應變沿z方向的弛豫引起的非線性彈性效應，構建了應變島成核生長的非線性彈性模型。研究發現，非線性彈性效應會引起應變島的熱力學自限制生長機制，該機制會阻礙超出一定尺寸的相干應變島的應變弛豫，這與線性彈性理論下應變弛豫隨應變島尺寸增大而無限增大相反。這種自限制生長依賴於島的側面角，當應變島在坑模版化基底生長時，也依賴於坑的側面角。利用島的自限制生長機制，成功解釋了應變島在大傾斜角基底生長的奇異成核生長行為。該工作極大加深了對異質外延生長納米結構機理的認識，解釋了之前大部分實驗現象，同時為可控生長納米結構提供了理論基礎。

該項工作得到了國家自然科學基金，西安交通大學前沿院科研啟動項目等經費支持，相關論文發表在國際納米材料領域權威期刊Nano Letters（影響因子13.592）上，題為「Thermodynamic Self-Limiting Growth of Heteroepitaxial Islands Induced by Nonlinear Elastic Effect」。西安交通大學為該論文第一作者單位。

論文連結：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b01525。