高质量半导体-超导体纳米线原位分子束外延和低温量子输运研究进展

局域环境和量子比特之间的相互作用引起的量子退相干是目前限制量子计算发展的主要技术瓶颈。基于马约拉纳零能模的拓扑量子计算通过将量子信息非局域地存储于两个空间分离的马约拉纳零能模及其拓扑结构中,实现对局域噪音的免疫,有望从物理层面解决量子退相干问题。强自旋轨道耦合窄禁带半导体与超导体构成的异质结纳米线是研究马约拉纳零能模和拓扑量子计算的理想实验平台。本文综述了近年来高质量半导体-超导体纳米线的原位分子束外延制备和低温量子输运研究进展,并对半导体-超导体纳米线拓扑量子计算研究进行了展望。

从高质量半导体/超导体纳米线到马约拉纳零能模

作为马约拉纳费米子的“凝聚态版本”,马约拉纳零能模是当前凝聚态物理领域的研究热点.马约拉纳零能模满足非阿贝尔统计,可以构建受拓扑保护的量子比特.这种由空间上分离的马约拉纳零能模构建的拓扑量子比特不易受局域噪声的干扰,具有长的退相干时间,在容错量子计算中具有重要的应用前景.半导体/超导体纳米线是研究马约拉纳零能模和拓扑量子计算的理想实验平台.本文综述了高质量半导体纳米线外延生长、半导体/超导体异质结制备以及相应的马约拉纳零能模研究方面的进展,并对半导体/超导体纳米线在量子计算中的应用前景进行了展望.

基于气-液-固模式的Ⅲ-Ⅴ族一维半导体纳米线的生长研究概述

Ⅲ-Ⅴ族一维半导体纳米线由于具有独特的性能、丰富的科学内涵而被广泛应用于微机电、光电子、光伏电、传感等方面,并在未来纳米结构器件中占有重要的战略地位,近年来引起了人们极大的兴趣和关注。探索Ⅲ-Ⅴ族一维半导体纳米线新的结构调控手段,研究具有重要应用价值的Ⅲ-Ⅴ族一维半导体纳米线的可控生长方法和技术,从而获得可应用于器件和功能实现的高质量Ⅲ-Ⅴ族一维半导体纳米线是目前各研究组的主要目标。基于气-液-固模式的纳米线生长方法具有对纳米线形貌及晶体质量可控的优点,成为当前制备高质量Ⅲ-Ⅴ族一维半导体纳米线的主要生长技术。催化辅助生长是一种有金属催化剂参与的纳米线生长方式,它可以有效降低反应物裂解能量、提高材料成核质量、控制材料生长方向、提高反应效率、稳定材料晶体结构。自催化生长是指在纳米线生长过程中不添加其他物质作为催化剂,而由反应物自身起催化作用的生长。由于自催化生长在反应过程中未引入其他物质,所以生成物纯度较高。Ⅲ-Ⅴ族异质结构半导体纳米线常具有两种半导体各自不能达到的优良光电特性,其又可划分为纵向异质结构和横向异质结构。Ⅲ-Ⅴ族一维半导体纳米线除了可以在与其自身材料相同的基底表面上生长之外,还可在与其材料不同的基底表面上生长,即在异质基底表面生长。异质基底生长在材料兼容、光电集成等方面具有十分广阔的应用前景。本文对基于气-液-固模式的Ⅲ-Ⅴ族一维半导体纳米线的生长进行了综述,并对近些年基于催化辅助和自催化的纵向异质结构、横向异质结构以及异质基底的成长研究现状进行了总结,为推动Ⅲ-Ⅴ族一维半导体纳米线制备技术的发展提供了参考依据。

成功实现光控有机-无机半导体异质结纳米线的可控构筑

化学所有机川体院重点实验室的科研人员在光控有机／无机P-N结纳米线的构筑研究方面取得了新进展，实现了有机／无机半导体P-N结纳米线的可控构筑，获得了基于CdS-PPY的P-N结纳米线，该纳米线是南单晶的CdS纳米线和无定形PPY构成的，有机／无机材料之间具有清楚、致密而均匀的结。

化学所成功实现光控有机-无机半导体异质结纳米线的可控构筑

在国家自然科学基金委、科技部和中科院的大力支持下，化学所有机固体院重点实验室的研究人员在可控构筑有机／无机半导体异质结纳米线的研究方面又取得了新的进展，相关的研究结果已经发表在J．Am．Chem．Soc．2008，130，9198-9199。

表面等离激元金属-绝缘体-半导体波导激光器研究进展

纳米激光器在光通信、全息技术、生物医疗成像等领域有着广泛的应用前景。表面等离激元(Surface plasmon polariton,SPP)沿着金属表面传播,基于该特性可制成突破衍射极限的低阈值纳米激光器。它们不但具有小尺寸特征,同时还能激发Purcell效应,表现出更高的自发辐射效率。近年来,金属-绝缘体-半导体(MIS)波导结构的SPP激光器因具有超强的模式约束能力被大量报道。本文以基于MIS结构的SPP激光器为主题进行综述。首先,介绍了SPP激光器的工作原理,接着分别介绍了基于MIS波导结构的纳米片型和纳米线型SPP激光器的工作原理。然后,依据增益介质材料的不同,依次介绍了增益介质分别为Ⅱ-Ⅵ半导体、Ⅲ-Ⅴ半导体以及钙钛矿的SPP MIS波导激光器研究进展。最后,总结全文,并对基于MIS波导的SPP激光器未来的发展和挑战进行了展望。

Ⅲ-Ⅴ族纳米线材料为新一代芯片赋予光学特性

IBM苏黎世研究实验室（IBM Research of Zurich）开发出一种尺寸极其微小的纳米线,具有一般标准材料所没有的光学特性,从而为开发出基于半导体纳米线的＂新一代晶体管＂电路研究而奠定基础。

半导体纳米线和氧化硅微光纤环型结复合结构激光器

基于ZnO，CdS，GaN等半导体纳米线的微纳激光器近年来引起了研究者的广泛关注。目前用来实现微激光器的激光振荡的谐振腔主要有法布里-珀罗（F—P）腔、赝环形腔等。在这些研究中，半导体纳米线不仅作为增益介质，而且是激光谐振腔的主体。由于纳米线直径较小且存在衬底，在纳米线结构外面的倏逝波会从纳米线的边缘扩散出去或扩散到衬底中，从而引起较强的损耗，限制谐振腔的品质因子（Q值），增加激光器的阈值。

用VLS机制制备硅纳米线的生长阶段研究

在镀Ni的Si衬底上用硅烷高温分解的方法由VLS机制制备了硅纳米线，在不同的实验条件下研究了VLS机制生长的三个阶段：结晶阶段、共熔阶段和生长阶段，特殊条件下制备的处于结晶阶段的长度仅几十纳米的硅纳米线显示硅纳米线是从催化剂颗粒中长出来的，观察到的硅纳米线的生长过程说明VLS机制在纳米尺度仍然有效，可用于各种材料纳米线的制备。

用催化剂控制硅纳米线直径的研究

本文研究了固－液－固（SLS）生长机制中催化剂与硅纳米线直径的关系。发现Si片上沉积的催化剂厚度和种类对硅纳米线的直径都有一定的影响，当使用Ni做催化剂时，硅纳米的直径与Ni膜厚度有关。其中硅纳米线的最大直径随催化剂厚度减小而减小，但最小直径基本不改变，当用Au做催化剂时，硅纳米线的平均直径和直径分布最小（10nm-20nm）。但硅纳米的直径不随Au膜厚度减小而减小。

荷兰科学家在硅与锗基板上外延生长出磷化铟纳米线

荷兰研究人员首度在硅与锗基板上以外延方式生长出磷化铟纳米线(nanowire)。这个由飞利浦实验室与Delft科技大学组成的团队表示，这项成果对于整合具有良好光电及高频特性的Ⅲ-Ⅴ族半导体与标准硅制造技术将有所助益。

ZnO纳米线阵列膜的自组装生长及其金属接触特性

以磁控溅射制备的ZnO纳米晶薄膜作为籽晶层,用水热法在80℃氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)玻璃衬底上,实现了大面积ZnO纳米线阵列膜的取向生长,制备了3种金属-半导体-金属(metal-semiconductor-metal,MSM)结构的ZnO半导体纳米线阵列膜样品,测试了薄膜样品的光学特性和I-V特性。结果表明:在相同的生长液浓度下,籽晶层对所生长的纳米线尺度分布有显著影响。所制备的纳米线薄膜在室温下具有显著的紫外带边发射特性。ZnO纳米线/Ag和ZnO纳米线/Al的金属-半导体接触均具有明显的Schottky接触特性,而ZnO纳米线/Au的金属-半导体接触具有明显Ohmic接触特性。

相对湿度对AFM针尖阳极氧化金属薄膜的影响

AFM针尖诱导氧化加工的金属 (Ti、Al、Nb等 )纳米氧化线是实现金属 半导体纳米器件的基础 ,由大气湿度决定的金属膜表面水吸附层的厚度 ,对控制阳极诱导氧化加工的结果起重要作用。实验研究了大气湿度对Ti氧化线高度、宽度和纵横比的影响 ,结果表明进行氧化加工Ti膜的较好的湿度范围为 30 %～ 5 0 %。

InP基上InAs纳米结构形貌的研究进展

本文是关于InP衬底上InAs纳米结构形貌的概述，文中主要阐述了生长过程中的应力、生长条件对纳米结构形貌的影响。

马约拉纳费米子的研究进展

马约拉纳费米子遵循非阿贝尔统计,在拓扑量子计算和量子信息处理方面具有潜在的应用前景。过去十多年中,各种可能存在马约拉纳零模的复合低维凝聚态系统相继被提出,并通过各种电学手段探测到了类似马约拉纳费米子的信号,如半导体纳米线/超导体系统、铁原子链/超导结构、铁基超导复合系统,以及拓扑绝缘体/超导体异质结等,并且拓扑绝缘体可能存在马约拉纳费米子的提议备受关注。最近几年也在实验上观测到了类似马约拉纳费米子的信号。然而对于马约拉纳费米子在低维凝聚态系统中存在的确凿证据以及马约拉纳费米子实现的拓扑量子计算还有待研究。本文综述了在各种复合低维凝聚态系统中找寻马约拉纳费米子的方案,并对实验探寻马约拉纳费米子的电学方法进行了详细的阐述。当前马约拉纳费米子的理论研究和实验探测方案主要集中在电学测量方面,为了得到更确凿的马约拉纳费米子的证据,有必要提出可供选择的探测马约拉纳费米子的方法或模型。考虑目前在微纳尺度上的技术进展,结合复合微纳系统,通过引入光学泵浦-探测技术,提出一系列全光学探测马约拉纳费米子的方法。然后,对光学探测马约拉纳费米子,以及马约拉纳费米子诱导的相干光学传输进行了综述。最后,展望了在固态量子器件中马约拉纳费米子在拓扑量子计算上的应用前景。