Pd催化InAs(111)B面<110>取向纳米线的分子束外延生长与微观结构表征

　　本研究针对III-V族半导体纳米线晶体相控制难题，采用分子束外延(MBE)技术，通过调控Pd催化剂粒径密度(15?厚Pd膜)、生长温度(375°C)和V/III前驱体比例，成功在InAs(111)B衬底上制备出沿<110>方向生长的零缺陷闪锌矿结构(ZB)InAs纳米线。扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)分析证实其优异晶体质量，50:50的Pd-In尖端成分为自催化生长机制提供新见解，为自旋电子学器件开发奠定材料基础。

　　

【研究背景】
在纳米科技蓬勃发展的今天，III-V族半导体纳米线因其独特的电子输运特性成为量子器件研发的宠儿。其中，砷化铟(InAs)纳米线凭借0.354eV的窄直接带隙、高达40,000 cm²
/(V·s)的电子迁移率，在高速电子器件和拓扑量子计算领域展现出巨大潜力。然而，传统金(Au)催化生长的InAs纳米线往往存在令人头疼的晶体多型性难题——闪锌矿(ZB)和纤锌矿(WZ)两相共存，伴随大量堆垛层错，严重制约器件性能。更棘手的是，<111>取向生长主导的纳米线由于两相势能相近，难以获得单一晶相。

【研究方法】
研究人员采用法国RIBER 32P分子束外延(MBE)系统，在载流子浓度<1×10¹⁵
cm^-3
的InAs(111)B衬底上沉积5-50?钯(Pd)薄膜作为催化剂。通过精确调控催化剂密度(15? Pd膜最优)、生长温度梯度(300-425°C)和V/III比(固定As₄
束流变化In通量)，结合扫描电镜(SEM)形貌分析和透射电镜(TEM)晶体结构表征，系统探究了非<111>取向纳米线的生长机制。

【研究结果】

1. 催化剂粒径调控：15? Pd膜形成的30nm以下催化剂颗粒显著提升In合金化程度，促进<110>取向生长。
2. 温度依赖性：375°C时获得最佳纳米线密度，温度过高导致催化剂颗粒粗化，过低则抑制轴向生长。
3. 前驱体比例：低过饱和度条件(高V/III比)产生锥度较小的纳米线，而高In通量促进轴向生长但增加锥度。
4. 结构表征：高角环形暗场像(HAADF)证实ZB单晶结构无堆垛缺陷，尖端EDS显示Pd:In≈1:1的合金组成。

【结论与意义】
该研究首次实现Pd催化InAs(111)B衬底上<110>取向纳米线的同质外延生长，突破传统<111>取向的晶体多型性限制。通过建立"催化剂粒径-生长温度-前驱体比例"三维调控模型，获得缺陷自由的纯ZB相纳米线，其优异的弹道传输特性为开发高性能自旋电子学器件提供理想材料平台。特别值得注意的是，Pd-In合金尖端成分的发现为理解非金催化剂的纳米线生长机制开辟新视角。这项发表于《Journal of the Indian Chemical Society》的工作，为III-V族纳米线的晶体相工程提供了普适性研究范式。