低維半導(dǎo)體材料原位應(yīng)變技術(shù)與陰極熒光譜：應(yīng)變調(diào)控下的光電性能探索一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代科技發(fā)展的浪潮中，半導(dǎo)體材料始終占據(jù)著核心地位，作為電子信息、能源、醫(yī)療、通信等眾多關(guān)鍵領(lǐng)域的基礎(chǔ)支撐，其性能的每一次突破都推動著這些領(lǐng)域的跨越式發(fā)展。從早期晶體管的誕生，開啟了電子時代的大門，到如今大規(guī)模集成電路在各類智能設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，半導(dǎo)體技術(shù)的革新深刻地改變了人們的生活方式和社會的發(fā)展進程。隨著摩爾定律逐漸逼近其物理極限，傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體材料在尺寸縮小的道路上遭遇了重重阻礙。短溝道效應(yīng)使得器件的性能穩(wěn)定性大幅下降，功耗的急劇增加不僅限制了設(shè)備的續(xù)航能力，還帶來了嚴(yán)重的散熱問題，而工藝復(fù)雜性的大幅提升則導(dǎo)致生產(chǎn)成本飆升，研發(fā)難度劇增。這些挑戰(zhàn)促使科研人員將目光聚焦于新型低維半導(dǎo)體材料，期望從中找到突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸的有效途徑。低維半導(dǎo)體材料，是指在一維、二維或三維空間上受到量子限制的半導(dǎo)體材料。與傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體相比，其獨特的物理性質(zhì)源于量子限域效應(yīng)。當(dāng)材料的特征尺寸在某一維度上與電子的德布羅意波長相當(dāng)甚至更小時，電子在該方向上的運動受到強烈約束，電子態(tài)呈現(xiàn)出離散的能級結(jié)構(gòu)。這種量子化特性引發(fā)了材料光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)的顯著改變，如吸收和發(fā)射光譜的藍移現(xiàn)象，使得材料在光電器件中能夠?qū)崿F(xiàn)更精準(zhǔn)的波長調(diào)控；載流子遷移率的大幅提高，為高速電子器件的發(fā)展提供了可能，有望顯著提升器件的運行速度并降低功耗。以二維材料為例，其原子級的超薄厚度賦予了材料極高的比表面積，極大地增強了與外界環(huán)境的相互作用，在傳感器領(lǐng)域，能夠更敏銳地感知外界信號，提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度；在催化領(lǐng)域，高比表面積提供了更多的催化活性位點，提升了催化效率。而一維納米線結(jié)構(gòu)在量子輸運和納米電子學(xué)中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢，為實現(xiàn)高性能、低功耗的電子器件奠定了基礎(chǔ)。在能源領(lǐng)域，低維半導(dǎo)體材料同樣展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在太陽能電池方面，其窄禁帶特性使其能夠吸收更廣泛波長的太陽光，有效提高了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，研究表明，基于低維窄禁帶半導(dǎo)體的太陽能電池在理論上具備實現(xiàn)更高能量轉(zhuǎn)換效率的可能，有望成為解決能源危機的重要突破口。在熱電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，低維結(jié)構(gòu)有助于降低熱導(dǎo)率，提高熱電轉(zhuǎn)換效率，為廢熱回收和綠色能源發(fā)電提供了新的解決方案，對于緩解能源緊張和推動可持續(xù)能源發(fā)展具有重要意義。在環(huán)境領(lǐng)域，一些半導(dǎo)體光催化材料，如常見的二氧化鈦、氧化鋅等，能夠利用光生電子與空穴對，在光照條件下將吸附在催化劑表面的污染物氧化分解為無害物質(zhì)，從而實現(xiàn)污染物降解和清潔能源生產(chǎn)，已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢水處理、空氣凈化等領(lǐng)域，為環(huán)境保護和生態(tài)平衡的維護發(fā)揮了重要作用。為了進一步挖掘低維半導(dǎo)體材料的潛力，原位應(yīng)變技術(shù)應(yīng)運而生。通過在材料制備或器件加工過程中引入精確控制的應(yīng)變，可以有效調(diào)控材料的晶格結(jié)構(gòu)和電子態(tài)，進而實現(xiàn)對其光電性能的優(yōu)化。例如，在發(fā)光二極管中，引入應(yīng)變能夠調(diào)節(jié)量子阱中載流子的有效質(zhì)量，從而改變發(fā)光二極管的發(fā)光波長和光強，實現(xiàn)更高效、更靈活的發(fā)光調(diào)控。在量子阱激光器中，合理控制應(yīng)變場的大小和空間分布，可以優(yōu)化激光器的性能，提高其輸出功率和穩(wěn)定性。在紅外探測器中，應(yīng)變調(diào)控可以調(diào)整量子阱中的帶隙，從而優(yōu)化探測器的靈敏度和選擇性，使其能夠更精準(zhǔn)地探測特定波長的紅外信號。陰極熒光譜（Cathodoluminescence,CL）作為一種強大的材料表征技術(shù)，在低維半導(dǎo)體材料研究中具有獨特的優(yōu)勢。它通過讓低能電子在樣品表面掃過產(chǎn)生光子，進而得到發(fā)射譜，能夠精確測量材料在不同位置的能級分布和載流子輸運特性。由于應(yīng)變場會顯著影響半導(dǎo)體材料的光電性質(zhì)，CL譜為深入分析應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料中能帶結(jié)構(gòu)和載流子輸運的影響提供了有力工具，有助于揭示應(yīng)變調(diào)控的微觀機制，為材料的優(yōu)化設(shè)計和器件的性能提升提供關(guān)鍵的實驗依據(jù)。對低維半導(dǎo)體材料的原位應(yīng)變技術(shù)及應(yīng)變調(diào)控的陰極熒光譜研究，不僅對于突破半導(dǎo)體技術(shù)瓶頸、推動電子信息產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展具有重要的理論意義，還在能源、環(huán)境、醫(yī)療等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出解決實際問題的巨大潛力，有望為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)支撐，成為推動未來科技進步和社會發(fā)展的核心力量之一。1.2低維半導(dǎo)體材料概述低維半導(dǎo)體材料，是指在一維、二維或三維空間上受到量子限制的半導(dǎo)體材料。其量子限制特性使得載流子在空間的運動受到強烈約束，進而展現(xiàn)出與傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體截然不同的物理性質(zhì)，在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中具有舉足輕重的地位和廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)量子限制維度的差異，低維半導(dǎo)體材料可分為三類：零維量子點、一維量子線和二維量子阱。零維量子點，如硅量子點、硒化鎘量子點等，其電子在三個維度上的運動均受到限制，電子態(tài)呈現(xiàn)出類似孤立原子的離散能級結(jié)構(gòu)，能級間距較大，使得量子點具有獨特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。例如，硒化鎘量子點在受到光激發(fā)時，能夠發(fā)射出特定波長的熒光，且其熒光波長可通過精確控制量子點的尺寸進行調(diào)節(jié)，在生物成像領(lǐng)域，可作為熒光標(biāo)記物，用于細胞和生物分子的可視化研究，為疾病診斷和生物醫(yī)學(xué)研究提供了有力工具。一維量子線，像常見的硅納米線、氧化鋅納米線，電子僅能在一個方向上自由運動，在另外兩個方向上受到限制，其獨特的結(jié)構(gòu)賦予了材料較高的載流子遷移率和各向異性的物理性質(zhì)。以硅納米線為例，由于其在軸向方向上的電子傳輸特性優(yōu)異，在納米電子器件中，可作為高性能的導(dǎo)線或晶體管溝道材料，有望顯著提升器件的運行速度和降低功耗。二維量子阱，如石墨烯、二硫化鉬等，電子能夠在二維平面內(nèi)自由移動，在垂直于平面的方向上受到限制，這類材料具有原子級的超薄厚度和高比表面積。以石墨烯為例，其獨特的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)使其具有出色的電學(xué)性能，室溫下電子遷移率可高達200,000cm2/（V?s），同時還具備良好的機械性能和光學(xué)透明性，在高速電子器件、柔性電子器件和透明導(dǎo)電電極等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。低維半導(dǎo)體材料的獨特性質(zhì)主要源于量子限域效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)。量子限域效應(yīng)是指當(dāng)材料的特征尺寸與電子的德布羅意波長相當(dāng)或更小時，電子的運動受到強烈限制，能級發(fā)生量子化，從而導(dǎo)致材料的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化。例如，量子點的吸收和發(fā)射光譜呈現(xiàn)出明顯的尺寸依賴性，隨著量子點尺寸的減小，其吸收和發(fā)射光譜向短波方向移動，即發(fā)生藍移現(xiàn)象。小尺寸效應(yīng)則是指隨著材料尺寸的減小，其物理性質(zhì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。當(dāng)材料尺寸減小到納米尺度時，表面原子所占比例增大，表面效應(yīng)變得愈發(fā)明顯。材料的表面原子由于缺少相鄰原子的配位，具有較高的活性，這使得低維半導(dǎo)體材料在表面催化、傳感器等領(lǐng)域表現(xiàn)出獨特的性能。在傳感器應(yīng)用中，低維半導(dǎo)體材料的高比表面積使其能夠更有效地吸附目標(biāo)分子，從而提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度。此外，低維半導(dǎo)體材料還具有一些其他特殊性質(zhì)，如高載流子遷移率、可調(diào)帶隙等。高載流子遷移率使得低維半導(dǎo)體在高速電子器件中具有巨大的應(yīng)用潛力，有望顯著提高器件的運行速度和降低功耗。而可調(diào)帶隙特性則為實現(xiàn)高性能、多功能的光電器件提供了可能，通過精確控制材料的組成和結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)對帶隙的精確調(diào)控，滿足不同應(yīng)用場景的需求。這些獨特性質(zhì)使得低維半導(dǎo)體材料在電子、光電器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在電子器件領(lǐng)域，低維半導(dǎo)體材料可用于制造高性能的晶體管、集成電路和傳感器等。由于其高載流子遷移率和小尺寸效應(yīng)，能夠有效提高器件的運行速度、降低功耗并提高集成度。以二維半導(dǎo)體晶體管為例，相較于傳統(tǒng)的硅晶體管，二維半導(dǎo)體晶體管具有更高的開關(guān)速度和更低的功耗，有望成為下一代高性能集成電路的關(guān)鍵組成部分。在光電器件領(lǐng)域，低維半導(dǎo)體材料可用于制備發(fā)光二極管、激光器、光電探測器等。其量子限域效應(yīng)和可調(diào)帶隙特性使得這些光電器件具有更高的發(fā)光效率、更窄的發(fā)光光譜和更高的響應(yīng)速度。例如，量子點發(fā)光二極管（QLED）具有色域廣、發(fā)光效率高、色彩飽和度高等優(yōu)點，在顯示領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望實現(xiàn)更高分辨率、更鮮艷色彩的顯示效果。此外，低維半導(dǎo)體材料還在能源、環(huán)境、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。在能源領(lǐng)域，可用于開發(fā)高效的太陽能電池、熱電材料和鋰離子電池等，提高能源轉(zhuǎn)換效率和存儲性能。在環(huán)境領(lǐng)域，可作為光催化材料用于污染物降解和空氣凈化等，為環(huán)境保護提供新的解決方案。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于生物成像、藥物輸送和疾病診斷等，為生物醫(yī)學(xué)研究和臨床治療提供有力支持。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在通過深入探究低維半導(dǎo)體材料的原位應(yīng)變技術(shù)，結(jié)合應(yīng)變調(diào)控下的陰極熒光譜分析，揭示應(yīng)變與材料性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為低維半導(dǎo)體材料在高性能光電器件中的應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)和實驗依據(jù)。具體研究內(nèi)容如下：低維半導(dǎo)體材料原位應(yīng)變技術(shù)研究：系統(tǒng)調(diào)研并深入分析當(dāng)前主流的原位應(yīng)變技術(shù)，包括基底選擇性生長、氮化物外延、摻雜以及壓力誘導(dǎo)應(yīng)變等方法，明確各種技術(shù)的原理、優(yōu)勢和局限性。在此基礎(chǔ)上，針對特定的低維半導(dǎo)體材料體系，如二維過渡金屬硫化物（如二硫化鉬、二硒化鎢等）和一維納米線（如氧化鋅納米線、硅納米線等），通過理論模擬和實驗驗證相結(jié)合的方式，優(yōu)化原位應(yīng)變技術(shù)參數(shù)，實現(xiàn)對材料應(yīng)變狀態(tài)的精確控制和有效調(diào)控，探索出最適合該材料體系的原位應(yīng)變引入方法。應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料結(jié)構(gòu)與性能影響研究：借助高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、X射線衍射（XRD）等先進的結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，深入研究應(yīng)變引入后低維半導(dǎo)體材料的晶格結(jié)構(gòu)變化，包括晶格常數(shù)的改變、原子位置的偏移以及晶體取向的調(diào)整等。利用光致發(fā)光光譜（PL）、拉曼光譜等光學(xué)表征手段，結(jié)合電學(xué)測試技術(shù)，全面分析應(yīng)變對材料光學(xué)和電學(xué)性能的影響規(guī)律，如能帶結(jié)構(gòu)的變化、載流子遷移率的改變、發(fā)光效率和波長的調(diào)控等。建立應(yīng)變與材料結(jié)構(gòu)、性能之間的定量關(guān)系模型，深入揭示應(yīng)變調(diào)控材料性能的微觀物理機制，為材料的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。應(yīng)變調(diào)控的陰極熒光譜研究：搭建高精度的陰極熒光譜測試系統(tǒng)，確保能夠準(zhǔn)確測量低維半導(dǎo)體材料在不同應(yīng)變狀態(tài)下的陰極熒光發(fā)射譜。通過對陰極熒光譜的細致分析，獲取材料在應(yīng)變作用下的能級分布、載流子復(fù)合過程以及能量傳遞等關(guān)鍵信息，深入研究應(yīng)變對材料中載流子輸運和復(fù)合機制的影響。結(jié)合理論計算，如第一性原理計算和多體理論模擬，對應(yīng)變調(diào)控的陰極熒光譜進行理論模擬和解釋，進一步驗證和完善實驗結(jié)果，揭示應(yīng)變調(diào)控陰極熒光譜的微觀物理本質(zhì)。基于應(yīng)變調(diào)控的低維半導(dǎo)體光電器件性能優(yōu)化研究：基于前面的研究成果，將應(yīng)變調(diào)控技術(shù)應(yīng)用于低維半導(dǎo)體光電器件的設(shè)計和制備中，如發(fā)光二極管、激光器和光電探測器等。通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，充分利用應(yīng)變對材料性能的調(diào)控作用，實現(xiàn)光電器件性能的顯著提升，如提高發(fā)光二極管的發(fā)光效率和穩(wěn)定性、增強激光器的輸出功率和光束質(zhì)量、提升光電探測器的靈敏度和響應(yīng)速度等。對優(yōu)化后的光電器件進行性能測試和評估，與未引入應(yīng)變的器件進行對比分析，驗證應(yīng)變調(diào)控技術(shù)在提升光電器件性能方面的有效性和可行性，為低維半導(dǎo)體光電器件的實際應(yīng)用提供技術(shù)支持和參考。二、低維半導(dǎo)體材料的原位應(yīng)變技術(shù)2.1基底選擇性生長2.1.1原理與機制基底選擇性生長是在低維半導(dǎo)體材料制備過程中，通過精心選擇具有特定晶面的基底，利用基底與生長材料之間晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的差異，在材料生長過程中引入可控應(yīng)變的一種技術(shù)手段。這一技術(shù)的核心原理基于晶體生長過程中原子間的相互作用以及晶格匹配的要求。在晶體生長過程中，原子會傾向于在基底表面按照一定的規(guī)則排列，以形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)基底的晶格常數(shù)與生長材料的晶格常數(shù)不匹配時，為了維持晶體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，生長材料會在基底表面產(chǎn)生應(yīng)變。例如，當(dāng)生長材料的晶格常數(shù)大于基底的晶格常數(shù)時，生長材料在基底上生長時會受到基底的約束，從而在平面內(nèi)產(chǎn)生拉伸應(yīng)變；反之，當(dāng)生長材料的晶格常數(shù)小于基底的晶格常數(shù)時，生長材料會在平面內(nèi)產(chǎn)生壓縮應(yīng)變。這種應(yīng)變的引入會導(dǎo)致材料晶格結(jié)構(gòu)的改變，進而對材料的物理性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。熱膨脹系數(shù)的差異也是影響應(yīng)變產(chǎn)生的重要因素。在材料生長過程中，溫度的變化會導(dǎo)致基底和生長材料的熱膨脹程度不同。如果基底和生長材料的熱膨脹系數(shù)相差較大，在冷卻過程中，由于兩者收縮程度的差異，會在材料內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致應(yīng)變的產(chǎn)生。這種熱應(yīng)力引起的應(yīng)變在材料的性能調(diào)控中同樣具有重要作用。以二維材料在不同基底上的生長為例，石墨烯在金屬鎳基底上生長時，由于鎳的晶格常數(shù)與石墨烯的晶格常數(shù)存在一定差異，石墨烯在鎳表面生長時會產(chǎn)生一定的應(yīng)變。這種應(yīng)變會改變石墨烯的電子結(jié)構(gòu)，使得石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響其電學(xué)性能。研究表明，通過精確控制石墨烯在鎳基底上的生長條件，可以實現(xiàn)對石墨烯應(yīng)變狀態(tài)的精確調(diào)控，進而實現(xiàn)對其電學(xué)性能的優(yōu)化。在一維納米線的生長中，如氧化鋅納米線在藍寶石基底上生長時，由于兩者晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)的差異，氧化鋅納米線在生長過程中會產(chǎn)生應(yīng)變。這種應(yīng)變會影響氧化鋅納米線的晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，通過合理選擇基底和生長條件，可以有效調(diào)控氧化鋅納米線的性能。基底選擇性生長技術(shù)通過巧妙利用基底與生長材料之間的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)差異，為低維半導(dǎo)體材料的應(yīng)變引入提供了一種有效的方法，為實現(xiàn)對材料性能的精確調(diào)控奠定了基礎(chǔ)。2.1.2案例分析-GaN材料氮化鎵（GaN）作為一種重要的寬禁帶半導(dǎo)體材料，在光電器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，如發(fā)光二極管（LED）、激光器、射頻功率器件等。由于GaN體材料生長困難，通常采用異質(zhì)外延生長的方法在不同基底上制備GaN薄膜，而基底選擇性生長技術(shù)在GaN材料的制備和性能調(diào)控中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在實際應(yīng)用中，藍寶石是最常用的GaN外延生長基底之一，這主要得益于其成本相對較低。然而，外延GaN薄膜與藍寶石襯底之間存在顯著的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)失配。GaN的晶格常數(shù)a=0.3189nm，c=0.5185nm，而藍寶石（α-Al?O?）的晶格常數(shù)a=0.4758nm，c=1.2991nm，兩者在a軸方向的晶格失配度高達16%，在c軸方向的失配度也達到約3.4%。此外，GaN和藍寶石的熱膨脹系數(shù)在室溫至1000℃范圍內(nèi)也存在較大差異，這使得在平面藍寶石襯底上生長的GaN薄膜不可避免地產(chǎn)生高密度的位錯缺陷，通常位錯密度可高達10?-101?cm?2。這些位錯缺陷會嚴(yán)重影響GaN材料的晶體質(zhì)量和電學(xué)、光學(xué)性能，導(dǎo)致器件的發(fā)光效率降低、壽命縮短等問題。為了改善GaN薄膜的晶體質(zhì)量和性能，研究人員采用了多種基底選擇性生長策略。其中，利用化學(xué)濕蝕刻圖案藍寶石襯底（CWE-PSS）是一種有效的方法。通過在300℃的工作溫度下，使用硫酸和磷酸的混合溶液（H?SO?：H?PO?）對藍寶石基底進行蝕刻，可以制備出具有排列的六方孔陣列的圖案化基底。單個孔的直徑、晶格常數(shù)和蝕刻孔深度等參數(shù)可以通過調(diào)整蝕刻工藝進行精確控制。在這種圖案化基底上生長GaN基LED結(jié)構(gòu)時，由于CWE-PSS誘導(dǎo)的堆垛層錯有效地阻擋了位錯，使得穿透位錯的密度從1.28×101?cm?2顯著降低到3.62×10?cm?2。通過這種方式，生長在CWE-PSS上的LED的內(nèi)部量子效率得到了顯著提高，達到了63%。由V形凹坑組成的粗糙化表面可以被認為是強漫射體，這使得光提取效率提高了20%，從而顯著提升了LED的整體性能。另一種策略是采用具有特殊晶面的基底。例如，研究發(fā)現(xiàn)，在具有特定晶面取向的碳化硅（SiC）基底上生長GaN時，由于SiC與GaN之間的晶格匹配度相對較高，在一定程度上可以減小晶格失配引起的應(yīng)變，從而降低位錯密度，提高GaN薄膜的晶體質(zhì)量。在SiC（0001）面上生長GaN時，通過優(yōu)化生長工藝，如精確控制生長溫度、氣體流量等參數(shù)，可以實現(xiàn)高質(zhì)量的GaN外延生長。與在藍寶石基底上生長的GaN相比，在SiC基底上生長的GaN薄膜具有更低的位錯密度和更好的電學(xué)性能，在射頻功率器件等應(yīng)用中展現(xiàn)出更高的性能優(yōu)勢。還有研究嘗試在非晶襯底上生長GaN。中科院半導(dǎo)體研究所、北京大學(xué)、北京石墨烯研究院的研究團隊利用石墨烯范德華外延的方法，在非晶玻璃襯底上成功“異構(gòu)外延”出高質(zhì)量的準(zhǔn)單晶GaN薄膜。他們在生長氮化物之前首先在玻璃上鋪上一層石墨烯，借助于石墨烯晶格的引導(dǎo)，并輔以納米柱緩沖層的策略，有效控制了玻璃上GaN的外延取向，得到了面外取向完全一致、面內(nèi)取向只有三種的準(zhǔn)單晶薄膜?；谠摫∧ぶ苽涑龅钠矫媪孔于逅{光LED器件，其內(nèi)量子效率高達48.7%，為目前已知的非晶襯底上同類器件的最高紀(jì)錄。進一步，利用界面處較弱的范德華力的特征，他們用機械剝離的方法將器件從玻璃襯底上剝離下來，制備了柔性LED器件，展示了該技術(shù)在柔性、大功率器件等領(lǐng)域應(yīng)用的可能性?；走x擇性生長技術(shù)通過合理選擇基底和優(yōu)化生長工藝，可以有效調(diào)控GaN材料中的應(yīng)變狀態(tài)，降低位錯密度，提高晶體質(zhì)量，從而顯著改善GaN基光電器件的性能。這一技術(shù)為GaN材料在光電器件領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支持，具有廣闊的應(yīng)用前景。2.2氮化物外延2.2.1技術(shù)介紹氮化物外延技術(shù)是制備氮化鎵（GaN）、氮化銦（InN）等氮化物半導(dǎo)體的關(guān)鍵技術(shù)。其基本原理是利用化學(xué)氣相沉積（CVD）或分子束外延（MBE）等方法，在晶格相似但熱膨脹系數(shù)不同的材料上生長氮化物薄膜。在生長過程中，氣態(tài)的氮源（如氨氣NH?）和金屬源（如三甲基鎵TMGa、三甲基銦TMIn等）在高溫和催化劑的作用下分解，金屬原子和氮原子在基底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸沉積并結(jié)晶形成氮化物薄膜。由于氮化物與基底材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，在生長過程中會產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而導(dǎo)致薄膜中引入應(yīng)變。這種應(yīng)變對氮化物材料的性能有著顯著影響，如改變材料的能帶結(jié)構(gòu)、載流子遷移率和發(fā)光特性等。在GaN材料中，應(yīng)變會導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的變化，進而影響其發(fā)光波長和發(fā)光效率。通過精確控制外延生長條件，如生長溫度、氣體流量、生長速率等，可以有效地調(diào)控薄膜中的應(yīng)變狀態(tài)，實現(xiàn)對氮化物材料性能的優(yōu)化。此外，氮化物外延技術(shù)還可以通過選擇不同的基底材料和緩沖層結(jié)構(gòu)，進一步調(diào)節(jié)薄膜中的應(yīng)變和晶體質(zhì)量。在藍寶石基底上生長GaN時，通常會先生長一層緩沖層，如氮化鋁（AlN）緩沖層，以緩解晶格失配和熱失配引起的應(yīng)變，提高GaN薄膜的晶體質(zhì)量。氮化物外延技術(shù)為制備高質(zhì)量的氮化物半導(dǎo)體材料提供了重要手段，在光電器件、射頻器件等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。2.2.2生長實例與應(yīng)變效果以在藍寶石、硅等基底上生長GaN為例，在藍寶石基底上生長GaN是目前應(yīng)用較為廣泛的方法之一。藍寶石（α-Al?O?）具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機械性能，且成本相對較低。然而，GaN與藍寶石之間存在較大的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異。GaN的晶格常數(shù)a=0.3189nm，c=0.5185nm，而藍寶石的晶格常數(shù)a=0.4758nm，c=1.2991nm，兩者在a軸方向的晶格失配度高達16%，在c軸方向的失配度也達到約3.4%。在熱膨脹系數(shù)方面，室溫至1000℃范圍內(nèi)，GaN和藍寶石的熱膨脹系數(shù)也存在明顯差異。這些差異導(dǎo)致在藍寶石基底上生長GaN時，薄膜內(nèi)部會產(chǎn)生較大的應(yīng)力，從而引入應(yīng)變。這種應(yīng)變會對GaN材料的性能產(chǎn)生多方面的影響。在晶體結(jié)構(gòu)方面，應(yīng)變會導(dǎo)致GaN薄膜產(chǎn)生高密度的位錯缺陷，通常位錯密度可高達10?-101?cm?2。這些位錯缺陷會嚴(yán)重影響材料的電學(xué)和光學(xué)性能。在電學(xué)性能方面，位錯會增加載流子的散射，降低載流子遷移率，從而影響器件的性能。在光學(xué)性能方面，位錯會成為非輻射復(fù)合中心，降低材料的發(fā)光效率，導(dǎo)致器件的發(fā)光強度減弱、壽命縮短等問題。為了改善這種情況，研究人員采用了多種方法來調(diào)控應(yīng)變。在生長過程中引入緩沖層是一種常用的手段。通過先生長一層氮化鋁（AlN）緩沖層，可以有效地緩解GaN與藍寶石之間的晶格失配和熱失配。AlN與GaN的晶格常數(shù)較為接近，且熱膨脹系數(shù)也與GaN更為匹配。在生長AlN緩沖層時，可以通過調(diào)整生長條件，如生長溫度、生長速率等，來控制緩沖層的質(zhì)量和應(yīng)力狀態(tài)。合適的AlN緩沖層可以起到應(yīng)力緩沖的作用，減少GaN薄膜中的位錯密度，提高晶體質(zhì)量。優(yōu)化生長工藝參數(shù)也能夠有效調(diào)控應(yīng)變。通過精確控制生長溫度、氣體流量等參數(shù)，可以改善GaN薄膜的生長質(zhì)量，降低應(yīng)變的不利影響。適當(dāng)降低生長溫度可以減少熱應(yīng)力的產(chǎn)生，從而降低薄膜中的應(yīng)變。在硅基底上生長GaN也是研究的熱點之一。硅（Si）具有良好的電學(xué)性能和成熟的半導(dǎo)體工藝，與藍寶石相比，硅基底的成本更低，且更容易與現(xiàn)有硅基集成電路工藝兼容。然而，GaN與硅之間的晶格失配和熱膨脹系數(shù)差異更大。硅的晶格常數(shù)a=0.5431nm，與GaN在a軸方向的晶格失配度高達40%以上。此外，硅的熱膨脹系數(shù)與GaN也存在顯著差異。這種巨大的失配導(dǎo)致在硅基底上生長GaN時，薄膜內(nèi)部會產(chǎn)生更大的應(yīng)力，引入更高的應(yīng)變。這不僅會導(dǎo)致GaN薄膜產(chǎn)生大量的位錯缺陷，還容易引起薄膜的開裂和剝落。為了克服這些問題，研究人員采取了一系列措施。采用多層緩沖層結(jié)構(gòu)是一種有效的方法。通常會先生長一層AlN緩沖層，然后再生長一層或多層GaN緩沖層。這種多層緩沖層結(jié)構(gòu)可以逐步緩解晶格失配和熱失配引起的應(yīng)力，減少位錯的產(chǎn)生。在生長過程中采用應(yīng)力調(diào)控技術(shù)，如在生長過程中引入周期性的應(yīng)力釋放層，也可以有效地降低薄膜中的應(yīng)變。通過優(yōu)化生長工藝參數(shù)，如選擇合適的生長溫度、生長速率和氣體流量等，也能夠改善GaN薄膜在硅基底上的生長質(zhì)量，降低應(yīng)變對材料性能的影響。2.3摻雜引起的應(yīng)變2.3.1摻雜原理與應(yīng)變產(chǎn)生摻雜是在半導(dǎo)體材料中引入雜質(zhì)原子的過程，其目的在于改變材料的電學(xué)性質(zhì)，而這一過程常常伴隨著應(yīng)變的產(chǎn)生。在半導(dǎo)體晶格中，雜質(zhì)原子的尺寸與原本的半導(dǎo)體原子往往存在差異，這種尺寸失配是導(dǎo)致應(yīng)變產(chǎn)生的根本原因。以硅（Si）中摻雜鍺（Ge）或碳（C）為例，當(dāng)在Si中摻雜Ge時，由于Ge原子的共價半徑（1.22?）大于Si原子的共價半徑（1.11?），Ge原子取代Si原子后，會在晶格中占據(jù)更大的空間，從而使得周圍的Si原子被向外推擠，在晶格中引入壓應(yīng)變。這種壓應(yīng)變會導(dǎo)致Si晶格常數(shù)增大，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變。相反，當(dāng)在Si中摻雜C時，由于C原子的共價半徑（0.77?）小于Si原子的共價半徑，C原子取代Si原子后，會使周圍的Si原子向內(nèi)收縮，從而引入拉應(yīng)變，導(dǎo)致Si晶格常數(shù)減小。這種由摻雜引起的應(yīng)變不僅會改變材料的晶格結(jié)構(gòu)，還會對材料的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響。在電學(xué)性能方面，應(yīng)變會改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致載流子的遷移率和有效質(zhì)量發(fā)生變化。在光學(xué)性能方面，應(yīng)變會影響材料的發(fā)光特性，如發(fā)光波長和發(fā)光效率。在力學(xué)性能方面，應(yīng)變會改變材料的彈性模量和硬度。這種應(yīng)變的產(chǎn)生機制可以通過晶格失配理論來解釋。晶格失配是指雜質(zhì)原子與半導(dǎo)體原子之間的晶格常數(shù)差異。當(dāng)雜質(zhì)原子進入半導(dǎo)體晶格時，為了維持晶格的連續(xù)性，半導(dǎo)體晶格會發(fā)生彈性畸變，從而產(chǎn)生應(yīng)變。這種應(yīng)變的大小與雜質(zhì)原子的濃度、尺寸以及半導(dǎo)體材料的彈性常數(shù)等因素密切相關(guān)。隨著雜質(zhì)原子濃度的增加，晶格失配引起的應(yīng)變也會相應(yīng)增大。雜質(zhì)原子與半導(dǎo)體原子的尺寸差異越大，產(chǎn)生的應(yīng)變也越大。半導(dǎo)體材料的彈性常數(shù)越小，相同晶格失配下產(chǎn)生的應(yīng)變就越大。2.3.2摻雜類型與應(yīng)變調(diào)控不同的摻雜元素和濃度對材料應(yīng)變的調(diào)控作用存在顯著差異。在實際應(yīng)用中，常見的摻雜元素包括III族元素（如硼B(yǎng)、鋁Al等）和V族元素（如磷P、砷As等）。當(dāng)在硅中摻雜III族元素硼時，由于硼原子的價電子數(shù)比硅原子少一個，會在晶格中引入空穴，形成p型半導(dǎo)體。同時，硼原子的尺寸小于硅原子，會引入拉應(yīng)變。而摻雜V族元素磷時，磷原子的價電子數(shù)比硅原子多一個，會引入額外的電子，形成n型半導(dǎo)體。由于磷原子的尺寸大于硅原子，會引入壓應(yīng)變。摻雜濃度對材料應(yīng)變的影響也十分關(guān)鍵。隨著摻雜濃度的增加，雜質(zhì)原子與半導(dǎo)體原子之間的相互作用增強，應(yīng)變也會相應(yīng)增大。然而，過高的摻雜濃度可能會導(dǎo)致雜質(zhì)原子的團聚，形成雜質(zhì)沉淀，反而會降低材料的應(yīng)變效果。在一定范圍內(nèi)，隨著磷摻雜濃度的增加，硅材料中的壓應(yīng)變逐漸增大。但當(dāng)摻雜濃度超過一定閾值時，會出現(xiàn)雜質(zhì)沉淀現(xiàn)象，導(dǎo)致材料的晶體質(zhì)量下降，應(yīng)變效果減弱。因此，在實際應(yīng)用中，需要精確控制摻雜濃度，以實現(xiàn)對材料應(yīng)變的有效調(diào)控。在實際應(yīng)用中，摻雜引起的應(yīng)變調(diào)控具有諸多優(yōu)勢。通過精確控制摻雜元素和濃度，可以實現(xiàn)對材料性能的精準(zhǔn)調(diào)控，滿足不同應(yīng)用場景的需求。在半導(dǎo)體器件中，利用應(yīng)變調(diào)控可以提高器件的性能，如增強晶體管的開關(guān)速度、提高集成電路的運行效率等。然而，這種調(diào)控方法也面臨一些挑戰(zhàn)。摻雜過程中的雜質(zhì)分布不均勻可能導(dǎo)致材料性能的不一致，影響器件的穩(wěn)定性和可靠性。此外，過高的應(yīng)變可能會導(dǎo)致材料的晶格缺陷增加，降低材料的電學(xué)性能。因此，在實際應(yīng)用中，需要綜合考慮各種因素，通過優(yōu)化摻雜工藝和材料結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮摻雜引起的應(yīng)變調(diào)控的優(yōu)勢，克服其面臨的挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)高性能的半導(dǎo)體器件和材料。2.4壓力引起的應(yīng)變2.4.1技術(shù)原理與應(yīng)用在器件上施加外力產(chǎn)生應(yīng)變的技術(shù)，其核心原理基于材料的彈性力學(xué)特性。當(dāng)外力作用于材料時，根據(jù)胡克定律，在彈性限度內(nèi)，材料的應(yīng)力與應(yīng)變成正比關(guān)系，即\sigma=E\varepsilon，其中\(zhòng)sigma表示應(yīng)力，E為材料的彈性模量，\varepsilon代表應(yīng)變。在實際操作中，通過特殊設(shè)計的夾具或微機電系統(tǒng)（MEMS）等裝置，將垂直或平行于器件表面的外力精準(zhǔn)施加到低維半導(dǎo)體材料上。當(dāng)對二維材料石墨烯施加拉伸力時，其晶格會沿著受力方向被拉長，導(dǎo)致晶格常數(shù)發(fā)生改變，進而在材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變。這種技術(shù)在二維材料研究中得到了廣泛應(yīng)用。在對單層過渡族金屬硫化物（如二硫化鉬MoS_2）的研究中，通過施加外力可以有效調(diào)控其帶隙。由于二硫化鉬具有直接帶隙特性，在光電器件應(yīng)用中具有重要價值。通過施加不同大小的應(yīng)力，可以改變二硫化鉬的原子間距離和鍵角，從而實現(xiàn)對其帶隙的精確調(diào)控。研究表明，當(dāng)施加一定的拉伸應(yīng)變時，二硫化鉬的帶隙會減小，這為其在光電探測器等器件中的應(yīng)用提供了新的調(diào)控手段，有望提高探測器對特定波長光的響應(yīng)靈敏度。在石墨烯的研究中，壓力引起的應(yīng)變也展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用潛力。通過對石墨烯施加壓力，其電子結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著變化，載流子遷移率和電學(xué)性能得到有效調(diào)控。這一特性使得石墨烯在高速電子器件和傳感器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，例如，可用于制備高性能的場效應(yīng)晶體管，提高其開關(guān)速度和電子傳輸效率。2.4.2應(yīng)變調(diào)控與實時監(jiān)測為實現(xiàn)應(yīng)變調(diào)控和實時監(jiān)測，通常采用具有特殊結(jié)構(gòu)的器件。一種常見的結(jié)構(gòu)是基于MEMS技術(shù)的應(yīng)變施加裝置，它由可動電極和固定電極組成。當(dāng)在兩電極間施加電壓時，靜電力會使可動電極發(fā)生位移，從而對與可動電極相連的低維半導(dǎo)體材料施加應(yīng)力。通過精確控制電壓的大小和方向，可以實現(xiàn)對應(yīng)變大小和方向的精準(zhǔn)調(diào)控。為了實時監(jiān)測應(yīng)變的變化，可在材料表面集成應(yīng)變傳感器，如電阻應(yīng)變片或電容式應(yīng)變傳感器。電阻應(yīng)變片的工作原理基于材料的壓阻效應(yīng)，當(dāng)材料發(fā)生應(yīng)變時，其電阻值會發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量電阻的變化即可實時獲取材料的應(yīng)變狀態(tài)。電容式應(yīng)變傳感器則是利用材料應(yīng)變導(dǎo)致電容變化的特性來實現(xiàn)應(yīng)變監(jiān)測。然而，該技術(shù)也存在一些局限性。一方面，由于低維半導(dǎo)體材料的尺寸微小，在施加外力時，難以保證應(yīng)力均勻分布在整個材料上，容易導(dǎo)致局部應(yīng)變不均勻，影響材料性能的一致性。另一方面，目前的應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)在精度和分辨率上仍有待提高，尤其是對于微小應(yīng)變的監(jiān)測，存在一定的誤差。為了改進這些問題，研究人員正在探索新的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計。采用新型的柔性基底材料，能夠更好地適應(yīng)低維半導(dǎo)體材料的變形，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，提高應(yīng)變的均勻性。在監(jiān)測技術(shù)方面，結(jié)合先進的納米制造工藝和高精度的測量儀器，開發(fā)基于納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)變傳感器，有望提高應(yīng)變監(jiān)測的精度和分辨率。利用納米線或量子點等納米結(jié)構(gòu)制備的應(yīng)變傳感器，具有更高的靈敏度和分辨率，能夠更精確地監(jiān)測微小應(yīng)變的變化。三、應(yīng)變調(diào)控對低維半導(dǎo)體材料性能的影響3.1對光電特性的影響機制3.1.1晶格常數(shù)與能帶結(jié)構(gòu)變化應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料光電特性的影響，首先體現(xiàn)在對晶格常數(shù)和能帶結(jié)構(gòu)的改變上。當(dāng)材料受到應(yīng)變作用時，其晶格結(jié)構(gòu)會發(fā)生畸變，晶格常數(shù)隨之改變。在二維材料二硫化鉬（MoS_2）中，當(dāng)施加拉伸應(yīng)變時，Mo-S鍵被拉長，晶格常數(shù)增大；施加壓縮應(yīng)變時，Mo-S鍵被壓縮，晶格常數(shù)減小。這種晶格常數(shù)的變化會進一步導(dǎo)致材料能帶結(jié)構(gòu)的顯著改變。根據(jù)固體物理學(xué)理論，半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)是由原子的電子云相互作用形成的。當(dāng)晶格常數(shù)發(fā)生變化時，原子間的距離和相對位置改變，電子云的重疊程度和相互作用也隨之改變，從而導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的變化。在直接帶隙半導(dǎo)體中，如砷化鎵（GaAs），應(yīng)變會使導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)哪芰堪l(fā)生相對變化。當(dāng)施加拉伸應(yīng)變時，晶格常數(shù)增大，原子間距離增加，電子云重疊程度減小，導(dǎo)致導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)哪芰坎顪p小，即帶隙減小。反之，施加壓縮應(yīng)變時，帶隙增大。這種帶隙的變化對材料的光電特性有著重要影響。在光吸收過程中，材料能夠吸收的光子能量必須大于其帶隙能量。當(dāng)帶隙發(fā)生變化時，材料的光吸收閾值也會相應(yīng)改變。帶隙減小會使材料能夠吸收更低能量的光子，從而拓展了光吸收范圍。在發(fā)光過程中，帶隙的大小決定了發(fā)光波長。帶隙減小會導(dǎo)致發(fā)光波長向長波方向移動，即發(fā)生紅移；帶隙增大則會導(dǎo)致發(fā)光波長向短波方向移動，即發(fā)生藍移。在間接帶隙半導(dǎo)體中，如硅（Si），應(yīng)變對能帶結(jié)構(gòu)的影響更為復(fù)雜。應(yīng)變不僅會改變導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)哪芰?，還會改變它們在動量空間中的位置。這可能導(dǎo)致間接帶隙半導(dǎo)體的帶隙類型發(fā)生轉(zhuǎn)變，甚至有可能使其轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體。這種轉(zhuǎn)變會極大地影響材料的發(fā)光效率。由于間接帶隙半導(dǎo)體的發(fā)光過程需要聲子的參與，發(fā)光效率相對較低；而直接帶隙半導(dǎo)體的發(fā)光過程不需要聲子參與，發(fā)光效率較高。如果通過應(yīng)變調(diào)控能夠使間接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體，將為提高其發(fā)光效率提供新的途徑。應(yīng)變通過改變晶格常數(shù)，對低維半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，進而改變材料的光電特性，這為材料的性能優(yōu)化和光電器件的設(shè)計提供了重要的調(diào)控手段。3.1.2載流子輸運特性變化應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料載流子輸運特性的影響是多方面的，其中對載流子有效質(zhì)量和遷移率的改變尤為關(guān)鍵。載流子有效質(zhì)量是描述載流子在晶體中運動特性的重要物理量，它與材料的能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。當(dāng)材料受到應(yīng)變作用時，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，載流子有效質(zhì)量也會相應(yīng)改變。在一維納米線結(jié)構(gòu)中，如氧化鋅納米線，當(dāng)施加軸向應(yīng)變時，能帶結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致電子和空穴的有效質(zhì)量發(fā)生改變。理論計算表明，拉伸應(yīng)變會使電子的有效質(zhì)量減小，而壓縮應(yīng)變則會使電子的有效質(zhì)量增大。這種載流子有效質(zhì)量的變化會直接影響載流子的遷移率。載流子遷移率是衡量材料導(dǎo)電性能的重要指標(biāo)，它與載流子有效質(zhì)量成反比關(guān)系。根據(jù)德魯?shù)履Ｐ?，載流子遷移率\mu可以表示為\mu=\frac{e\tau}{m^*}，其中e為電子電荷，\tau為載流子的平均自由時間，m^*為載流子有效質(zhì)量。當(dāng)載流子有效質(zhì)量減小時，遷移率增大；反之，當(dāng)載流子有效質(zhì)量增大時，遷移率減小。在二維材料石墨烯中，由于其獨特的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，電子具有極高的遷移率。當(dāng)對石墨烯施加應(yīng)變時，雖然其載流子有效質(zhì)量變化較小，但應(yīng)變會改變石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)，引入缺陷和雜質(zhì)，從而影響載流子的散射概率，進而對遷移率產(chǎn)生影響。研究表明，適度的拉伸應(yīng)變可以改善石墨烯的晶格結(jié)構(gòu)，減少缺陷和雜質(zhì)的散射，從而提高載流子遷移率；而過度的應(yīng)變則會引入更多的缺陷和雜質(zhì)，增加載流子的散射概率，導(dǎo)致遷移率下降。載流子遷移率的變化對低維半導(dǎo)體器件的性能有著重要影響。在晶體管中，載流子遷移率的提高可以顯著提高器件的開關(guān)速度和電流驅(qū)動能力，降低功耗。在高速電子器件中，高遷移率的材料能夠?qū)崿F(xiàn)更快的信號傳輸速度，滿足現(xiàn)代通信和計算技術(shù)對高速、低功耗器件的需求。在光電器件中，載流子遷移率的變化也會影響器件的光電轉(zhuǎn)換效率和響應(yīng)速度。在光電探測器中，載流子遷移率的提高可以加快光生載流子的收集速度，提高探測器的響應(yīng)速度和靈敏度。應(yīng)變通過改變載流子有效質(zhì)量和遷移率，對低維半導(dǎo)體材料的載流子輸運特性產(chǎn)生重要影響，進而對器件的性能起著關(guān)鍵作用，這為優(yōu)化器件性能提供了重要的研究方向。3.2典型器件中的應(yīng)變調(diào)控研究3.2.1發(fā)光二極管（LED）在現(xiàn)代光電子學(xué)領(lǐng)域，發(fā)光二極管（LED）以其高效、節(jié)能、長壽命等顯著優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于照明、顯示、通信等諸多關(guān)鍵領(lǐng)域。以GaN發(fā)光二極管為代表的寬禁帶半導(dǎo)體LED，在藍光和綠光發(fā)射方面展現(xiàn)出卓越的性能，成為固態(tài)照明和顯示技術(shù)的核心元件。應(yīng)變在GaN發(fā)光二極管中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它能夠精確調(diào)節(jié)量子阱中載流子的有效質(zhì)量，進而對發(fā)光二極管的發(fā)光波長和光強產(chǎn)生顯著影響。從理論層面深入分析，根據(jù)量子力學(xué)原理，載流子在量子阱中的運動受到量子限制，其能量狀態(tài)呈現(xiàn)出離散的能級結(jié)構(gòu)。當(dāng)應(yīng)變引入時，量子阱的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，導(dǎo)致阱內(nèi)的勢能分布發(fā)生改變，從而直接影響載流子的有效質(zhì)量。具體而言，拉伸應(yīng)變會使量子阱的寬度增大，載流子在阱內(nèi)的束縛減弱，有效質(zhì)量減??；相反，壓縮應(yīng)變會使量子阱寬度減小，載流子束縛增強，有效質(zhì)量增大。這種載流子有效質(zhì)量的變化，會進一步影響載流子的能級分布和躍遷概率。在實際應(yīng)用中，通過巧妙的晶面選擇性生長技術(shù)，可以實現(xiàn)InGaN組分在不同應(yīng)變條件下的精確生長，從而實現(xiàn)對發(fā)光二極管波長和光強的有效調(diào)控。研究表明，當(dāng)InGaN量子阱受到拉伸應(yīng)變時，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶隙減小，導(dǎo)致發(fā)光波長向長波方向移動，即發(fā)生紅移現(xiàn)象。這是因為拉伸應(yīng)變使得In-N鍵長增加，原子間的相互作用減弱，電子云的重疊程度減小，從而降低了能帶的能量差。反之，當(dāng)受到壓縮應(yīng)變時，帶隙增大，發(fā)光波長向短波方向移動，即發(fā)生藍移現(xiàn)象。通過精確控制應(yīng)變的大小和方向，可以實現(xiàn)發(fā)光二極管發(fā)光波長在藍光到綠光范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)，滿足不同應(yīng)用場景的需求。應(yīng)變還對發(fā)光二極管的光強產(chǎn)生重要影響。由于載流子有效質(zhì)量的變化會影響載流子的遷移率和復(fù)合效率，進而改變發(fā)光二極管的光強。當(dāng)載流子有效質(zhì)量減小時，遷移率增大，載流子在量子阱中的擴散速度加快，更容易發(fā)生輻射復(fù)合，從而提高發(fā)光效率和光強。反之，當(dāng)載流子有效質(zhì)量增大時，遷移率減小，載流子的擴散速度減慢，非輻射復(fù)合概率增加，導(dǎo)致發(fā)光效率和光強降低。通過優(yōu)化應(yīng)變條件，可以提高載流子的輻射復(fù)合效率，減少非輻射復(fù)合，從而顯著提高發(fā)光二極管的光強。除了晶面選擇性生長技術(shù)，摻雜Si、Mg等雜質(zhì)以及施加外力也是產(chǎn)生應(yīng)變并影響發(fā)光二極管性能的有效手段。摻雜雜質(zhì)會改變材料的晶格結(jié)構(gòu)和電子濃度，從而引入應(yīng)變。當(dāng)在GaN中摻雜Si時，Si原子取代Ga原子，由于Si原子的尺寸與Ga原子不同，會導(dǎo)致晶格畸變，引入應(yīng)變。這種應(yīng)變會影響量子阱中載流子的分布和復(fù)合過程，進而影響發(fā)光二極管的性能。施加外力可以直接改變材料的晶格結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生應(yīng)變。通過對GaN發(fā)光二極管施加壓力，可以改變量子阱的形狀和尺寸，從而調(diào)控發(fā)光波長和光強。3.2.2量子阱激光器量子阱激光器作為光通信、光存儲和激光加工等領(lǐng)域的核心光源，其性能的優(yōu)化對于推動這些領(lǐng)域的發(fā)展具有至關(guān)重要的意義。在GaN量子阱激光器中，應(yīng)變場對器件性能的影響是一個復(fù)雜而關(guān)鍵的因素，涉及到載流子注入、波導(dǎo)模限制以及能帶結(jié)構(gòu)等多個方面。從載流子注入的角度來看，應(yīng)變會顯著影響量子阱中載流子的分布和輸運特性。當(dāng)量子阱受到應(yīng)變作用時，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子的有效質(zhì)量和遷移率改變。在拉伸應(yīng)變下，量子阱的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，使得電子和空穴的有效質(zhì)量減小，遷移率增大。這意味著載流子在量子阱中的輸運速度加快，更容易注入到有源區(qū)中，從而提高了載流子的注入效率。然而，過高的應(yīng)變也可能導(dǎo)致量子阱中的缺陷增多，這些缺陷會成為載流子的散射中心，阻礙載流子的輸運，降低載流子的注入效率。波導(dǎo)模限制是量子阱激光器中的另一個重要因素，應(yīng)變在其中也起著關(guān)鍵作用。波導(dǎo)模限制是指通過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將光場限制在有源區(qū)內(nèi)，以提高光與載流子的相互作用效率。應(yīng)變會改變量子阱材料的折射率分布，從而影響波導(dǎo)模的限制效果。在GaN量子阱激光器中，通常采用異質(zhì)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)波導(dǎo)模限制。當(dāng)量子阱受到應(yīng)變作用時，其與周圍材料的折射率差發(fā)生變化，進而影響波導(dǎo)模的限制能力。適當(dāng)?shù)膽?yīng)變可以優(yōu)化折射率分布，增強波導(dǎo)模的限制效果，提高光與載流子的相互作用效率，從而提升激光器的輸出功率和效率。然而，過大的應(yīng)變可能導(dǎo)致折射率分布不均勻，使得波導(dǎo)模的限制效果變差，光場泄漏增加，降低激光器的性能。能帶結(jié)構(gòu)的變化是應(yīng)變影響量子阱激光器性能的另一個重要方面。應(yīng)變會導(dǎo)致量子阱的能帶發(fā)生彎曲和分裂，從而改變載流子的能級分布和躍遷概率。在GaN量子阱激光器中，應(yīng)變會使導(dǎo)帶和價帶的能級發(fā)生相對位移，影響電子和空穴的復(fù)合過程。適當(dāng)?shù)膽?yīng)變可以優(yōu)化能帶結(jié)構(gòu)，使得電子和空穴更容易發(fā)生輻射復(fù)合，提高激光器的發(fā)光效率。然而，過高的應(yīng)變可能導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重畸變，使得載流子的非輻射復(fù)合概率增加，降低激光器的發(fā)光效率。為了實現(xiàn)優(yōu)化的激光器性能，精確控制應(yīng)變場的大小和空間分布至關(guān)重要。通過合理設(shè)計量子阱的結(jié)構(gòu)和生長工藝，可以精確調(diào)控應(yīng)變的大小和分布。采用多層量子阱結(jié)構(gòu)，并在不同層中引入不同程度的應(yīng)變，可以實現(xiàn)對載流子注入和波導(dǎo)模限制的協(xié)同優(yōu)化。優(yōu)化生長條件，如生長溫度、氣體流量等，也可以有效控制應(yīng)變的大小和分布，從而提高激光器的性能。3.2.3紅外探測器在現(xiàn)代光電子學(xué)領(lǐng)域，紅外探測器作為探測紅外輻射的關(guān)鍵器件，廣泛應(yīng)用于軍事偵察、安防監(jiān)控、工業(yè)檢測、醫(yī)療診斷和天文觀測等眾多領(lǐng)域?；诹孔于宓募t外探測器因其獨特的性能優(yōu)勢，如高靈敏度、高響應(yīng)速度和低噪聲等，成為紅外探測技術(shù)的研究熱點。應(yīng)變在這類探測器中起著至關(guān)重要的作用，它能夠通過調(diào)整量子阱帶隙，顯著優(yōu)化探測器的靈敏度和選擇性。從原理上講，量子阱紅外探測器的工作基于量子阱中的子帶間躍遷。當(dāng)紅外光子照射到量子阱上時，光子的能量被量子阱中的電子吸收，電子從低能級子帶躍遷到高能級子帶，從而產(chǎn)生光電流。量子阱的帶隙決定了探測器能夠響應(yīng)的紅外光子的能量范圍，即探測器的光譜響應(yīng)范圍。應(yīng)變可以通過改變量子阱的晶格結(jié)構(gòu)，進而改變量子阱的能帶結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對帶隙的精確調(diào)控。當(dāng)量子阱受到拉伸應(yīng)變時，晶格常數(shù)增大，原子間距離增加，電子云的重疊程度減小，導(dǎo)致量子阱的帶隙減小。這使得探測器能夠響應(yīng)更低能量的紅外光子，從而拓展了探測器的光譜響應(yīng)范圍，提高了對長波紅外輻射的探測能力。相反，當(dāng)量子阱受到壓縮應(yīng)變時，帶隙增大，探測器對短波紅外輻射的響應(yīng)能力增強。在實際應(yīng)用中，通過在III-V族復(fù)合材料中巧妙地形成間距變化，可以實現(xiàn)折射率的精確變化，最終對器件中的光電特性產(chǎn)生影響。以GaAs/AlGaAs量子阱紅外探測器為例，通過精確控制AlGaAs層的厚度和Al的組分，可以引入不同程度的應(yīng)變。當(dāng)Al的組分增加時，AlGaAs層的晶格常數(shù)減小，與GaAs量子阱之間的晶格失配增大，從而在量子阱中引入壓縮應(yīng)變。這種壓縮應(yīng)變會使量子阱的帶隙增大，探測器的光譜響應(yīng)向短波方向移動。反之，當(dāng)Al的組分減小時，引入的應(yīng)變減小，帶隙減小，光譜響應(yīng)向長波方向移動。通過精確調(diào)節(jié)Al的組分和層厚，可以實現(xiàn)對量子阱帶隙的精確調(diào)控，從而優(yōu)化探測器的靈敏度和選擇性，使其能夠滿足不同應(yīng)用場景對特定波長紅外輻射的探測需求。應(yīng)變調(diào)控在量子阱紅外探測器中具有重要的應(yīng)用價值。通過精確控制應(yīng)變，可以實現(xiàn)對量子阱帶隙的精確調(diào)控，從而優(yōu)化探測器的靈敏度和選擇性，提高探測器的性能。這為紅外探測器在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持，推動了紅外探測技術(shù)的不斷發(fā)展和進步。四、應(yīng)變調(diào)控的陰極熒光譜研究4.1陰極熒光譜（CL）技術(shù)原理4.1.1CL譜的產(chǎn)生機制陰極熒光譜（CL）的產(chǎn)生基于電子與物質(zhì)的相互作用，其過程涉及多個復(fù)雜的物理機制。當(dāng)高能電子束轟擊半導(dǎo)體材料表面時，電子束中的電子具有較高的能量，足以克服半導(dǎo)體材料的價帶與導(dǎo)帶之間的能量間隙。這些高能電子與半導(dǎo)體中的原子發(fā)生碰撞，將價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶，同時在價帶中留下空穴，形成電子-空穴對。導(dǎo)帶中的電子處于高能態(tài)，是不穩(wěn)定的狀態(tài)。根據(jù)能量最低原理，電子有回到低能量狀態(tài)的趨勢，因此導(dǎo)帶中的電子會重新躍遷回價帶，與價帶中的空穴發(fā)生復(fù)合。在這個復(fù)合過程中，電子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，多余的能量以光子的形式釋放出來。光子的能量等于電子躍遷前后的能量差，即E=h\nu，其中E為光子能量，h為普朗克常數(shù)，\nu為光子頻率。由于半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)是離散的，電子躍遷釋放的光子能量也具有特定的數(shù)值，從而形成了特定波長的熒光光譜。這種熒光光譜的產(chǎn)生與半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。不同的半導(dǎo)體材料具有不同的能帶結(jié)構(gòu)，包括帶隙寬度、導(dǎo)帶和價帶的形狀以及雜質(zhì)能級的分布等。這些因素決定了電子躍遷的能量差，進而決定了CL譜的特征。在硅（Si）半導(dǎo)體中，其帶隙寬度約為1.12eV，當(dāng)電子從導(dǎo)帶躍遷回價帶時，釋放的光子能量對應(yīng)于該帶隙能量，產(chǎn)生特定波長的熒光。而在砷化鎵（GaAs）半導(dǎo)體中，帶隙寬度約為1.43eV，其CL譜的特征波長與硅不同。雜質(zhì)能級的存在也會對CL譜產(chǎn)生影響。當(dāng)半導(dǎo)體材料中存在雜質(zhì)時，雜質(zhì)原子會在能帶結(jié)構(gòu)中引入額外的能級。這些雜質(zhì)能級可以作為電子躍遷的中間態(tài)，使得電子躍遷過程更加復(fù)雜，從而產(chǎn)生不同波長的熒光。在摻雜了磷（P）的硅半導(dǎo)體中，磷原子引入的雜質(zhì)能級會導(dǎo)致電子躍遷釋放的光子能量發(fā)生變化，CL譜也會相應(yīng)改變。4.1.2CL譜測量與分析方法CL譜的實驗測量通常借助掃描電子顯微鏡（SEM）與CL探測器的聯(lián)用系統(tǒng)來實現(xiàn)。在實驗過程中，首先將低維半導(dǎo)體材料樣品放置于SEM的樣品臺上，確保樣品表面平整且與電子束垂直，以保證電子束能夠均勻地轟擊樣品表面。然后，調(diào)節(jié)SEM的電子束參數(shù)，如加速電壓、束流大小等，使電子束具有合適的能量和強度。加速電壓決定了電子束的穿透深度和激發(fā)能力，較高的加速電壓可以使電子束穿透更深的樣品層，激發(fā)更多的電子躍遷，但同時也可能導(dǎo)致樣品表面的損傷和信號的展寬。束流大小則影響著電子與樣品相互作用的概率，束流越大，單位時間內(nèi)與樣品相互作用的電子數(shù)量越多，產(chǎn)生的熒光信號越強，但過大的束流也可能引起樣品的發(fā)熱和電荷積累，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)電子束轟擊樣品表面時，樣品會發(fā)射出陰極熒光。這些熒光信號通過光學(xué)系統(tǒng)收集，并傳輸?shù)紺L探測器中。CL探測器通常采用光電倍增管（PMT）或電荷耦合器件（CCD）等光探測器，它們能夠?qū)晒庑盘栟D(zhuǎn)換為電信號，并進行放大和檢測。為了提高測量的準(zhǔn)確性和分辨率，通常會對探測器進行校準(zhǔn)和優(yōu)化，以確保其對不同波長的熒光信號具有均勻的響應(yīng)。在獲得CL譜數(shù)據(jù)后，需要對其進行深入分析，以獲取材料的能級分布和載流子輸運特性等關(guān)鍵信息。通過對發(fā)射譜的峰值位置進行精確分析，可以準(zhǔn)確確定材料的帶隙能量。根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，發(fā)射譜的峰值對應(yīng)于電子從導(dǎo)帶最低能級躍遷到價帶最高能級時釋放的光子能量，因此峰值位置直接反映了材料的帶隙大小。在直接帶隙半導(dǎo)體中，如砷化鎵（GaAs），發(fā)射譜的峰值位置與帶隙能量幾乎相等；而在間接帶隙半導(dǎo)體中，如硅（Si），由于電子躍遷需要聲子的參與，發(fā)射譜的峰值位置會略低于帶隙能量。通過分析發(fā)射譜的強度和寬度，可以深入了解材料中的載流子復(fù)合過程和非輻射復(fù)合中心的存在情況。發(fā)射譜的強度與載流子的復(fù)合速率密切相關(guān)，復(fù)合速率越快，發(fā)射譜的強度越高。而發(fā)射譜的寬度則反映了材料中載流子能量的分布情況和非輻射復(fù)合過程的影響。如果材料中存在較多的非輻射復(fù)合中心，如缺陷、雜質(zhì)等，會導(dǎo)致載流子通過非輻射復(fù)合過程失去能量，從而使發(fā)射譜的寬度展寬，強度降低。還可以通過對不同位置的CL譜進行對比分析，研究材料的均勻性和載流子輸運特性。如果材料在不同位置的CL譜存在明顯差異，說明材料的性質(zhì)在空間上存在不均勻性，這可能是由于材料的生長過程中存在缺陷、雜質(zhì)分布不均勻或應(yīng)變分布不均勻等原因?qū)е碌摹Ｍㄟ^分析CL譜在不同位置的變化情況，可以推斷載流子在材料中的輸運路徑和散射機制，為深入理解材料的電學(xué)性質(zhì)提供重要依據(jù)。4.2CL譜在應(yīng)變分析中的應(yīng)用4.2.1應(yīng)變對能帶結(jié)構(gòu)的CL譜表征應(yīng)變會導(dǎo)致半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，而CL譜能夠精準(zhǔn)地捕捉這些變化，為深入研究應(yīng)變與能帶結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系提供了有力支持。當(dāng)半導(dǎo)體材料受到應(yīng)變作用時，其晶格結(jié)構(gòu)會發(fā)生畸變，這種畸變會直接影響原子間的距離和電子云的重疊程度，進而改變能帶結(jié)構(gòu)。以常見的二維材料二硫化鉬（MoS_2）為例，在未施加應(yīng)變的情況下，MoS_2的能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出特定的特征。通過CL譜測量，能夠得到其在室溫下的典型發(fā)射譜，發(fā)射峰位置對應(yīng)著材料的帶隙能量。當(dāng)對MoS_2施加拉伸應(yīng)變時，晶格被拉長，Mo-S鍵長增加，原子間距離增大，電子云重疊程度減小，導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。這種變化在CL譜上表現(xiàn)為發(fā)射峰位置的移動。研究表明，隨著拉伸應(yīng)變的增加，發(fā)射峰會向低能量方向移動，即發(fā)生紅移現(xiàn)象。這是因為拉伸應(yīng)變使帶隙減小，電子躍遷釋放的光子能量降低，從而導(dǎo)致發(fā)射峰紅移。反之，當(dāng)施加壓縮應(yīng)變時，晶格被壓縮，Mo-S鍵長減小，原子間距離減小，電子云重疊程度增大，帶隙增大，發(fā)射峰會向高能量方向移動，即發(fā)生藍移現(xiàn)象。CL譜不僅能夠探測發(fā)射峰位置的變化，還能通過分析發(fā)射譜的強度和寬度，獲取更多關(guān)于能帶結(jié)構(gòu)的信息。發(fā)射譜的強度與電子躍遷的概率密切相關(guān)，而電子躍遷概率又受到能帶結(jié)構(gòu)和載流子分布的影響。當(dāng)應(yīng)變導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，電子躍遷概率也會相應(yīng)改變，從而使發(fā)射譜的強度發(fā)生變化。發(fā)射譜的寬度則反映了能帶中電子能量的分布情況。如果能帶結(jié)構(gòu)受到應(yīng)變的影響而變得更加離散，電子能量分布范圍增大，發(fā)射譜的寬度會變寬；反之，如果能帶結(jié)構(gòu)變得更加集中，發(fā)射譜的寬度會變窄。通過對不同應(yīng)變條件下的CL譜進行對比分析，可以建立起應(yīng)變與能帶結(jié)構(gòu)之間的定量關(guān)系。研究人員通過精確控制施加在MoS_2上的應(yīng)變大小，測量相應(yīng)的CL譜，發(fā)現(xiàn)發(fā)射峰位置的移動與應(yīng)變大小之間存在著線性關(guān)系。這種定量關(guān)系的建立，為深入理解應(yīng)變對能帶結(jié)構(gòu)的影響機制提供了重要依據(jù)，也為基于應(yīng)變調(diào)控的半導(dǎo)體材料性能優(yōu)化提供了關(guān)鍵的理論支持。CL譜在表征應(yīng)變對半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的影響方面具有獨特的優(yōu)勢，能夠為研究人員提供豐富而準(zhǔn)確的信息，推動低維半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的深入研究和發(fā)展。4.2.2載流子輸運特性的CL譜研究載流子輸運特性是半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵性能之一，它直接決定了半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能和工作效率。應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料的載流子輸運特性有著顯著的影響，而CL譜為研究這種影響提供了有效的手段。當(dāng)材料受到應(yīng)變作用時，其晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這會導(dǎo)致載流子的散射機制和遷移率發(fā)生變化。在低維半導(dǎo)體材料中，如二維材料石墨烯和一維納米線氧化鋅，載流子的輸運行為受到晶格振動、雜質(zhì)散射、缺陷散射等多種因素的影響。當(dāng)施加應(yīng)變時，晶格振動模式會發(fā)生改變，雜質(zhì)和缺陷的分布也可能發(fā)生變化，從而影響載流子的散射概率。在石墨烯中，適度的拉伸應(yīng)變可以改善晶格的平整度，減少雜質(zhì)和缺陷的散射，使得載流子遷移率提高。而在氧化鋅納米線中，應(yīng)變可能會引入新的缺陷，增加載流子的散射中心，導(dǎo)致遷移率下降。CL譜可以通過分析發(fā)射譜的強度和壽命等參數(shù)，來研究應(yīng)變對載流子輸運特性的影響。發(fā)射譜的強度與載流子的復(fù)合速率密切相關(guān)，而復(fù)合速率又受到載流子的遷移率和濃度的影響。當(dāng)載流子遷移率提高時，載流子在材料中的擴散速度加快，更容易發(fā)生復(fù)合，發(fā)射譜的強度會增強。反之，當(dāng)載流子遷移率降低時，發(fā)射譜的強度會減弱。發(fā)射譜的壽命則反映了載流子在激發(fā)態(tài)的存活時間，它與載流子的散射概率和復(fù)合過程密切相關(guān)。如果載流子受到的散射較少，壽命會延長；反之，壽命會縮短。通過對比不同應(yīng)變條件下的CL譜，能夠清晰地觀察到發(fā)射譜強度和壽命的變化，從而推斷出應(yīng)變對載流子輸運特性的影響。研究人員對不同應(yīng)變狀態(tài)下的石墨烯進行CL譜測量，發(fā)現(xiàn)隨著拉伸應(yīng)變的增加，發(fā)射譜的強度逐漸增強，壽命逐漸縮短。這表明拉伸應(yīng)變提高了石墨烯中載流子的遷移率，使得載流子更容易發(fā)生復(fù)合，從而增強了發(fā)射譜的強度，縮短了壽命。CL譜還可以與其他實驗技術(shù)相結(jié)合，如光致發(fā)光譜（PL）、拉曼光譜等，進一步深入研究應(yīng)變對載流子輸運特性的影響。通過綜合分析多種實驗數(shù)據(jù)，可以更全面地了解應(yīng)變對材料微觀結(jié)構(gòu)和載流子輸運機制的影響，為優(yōu)化低維半導(dǎo)體材料的性能提供更豐富的信息。CL譜在研究應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料載流子輸運特性的影響方面具有重要的應(yīng)用價值，能夠為半導(dǎo)體器件的性能優(yōu)化和新型器件的開發(fā)提供有力的實驗依據(jù)。4.3案例分析：特定低維半導(dǎo)體材料的CL譜研究4.3.1材料選擇與實驗設(shè)計本案例選擇二硫化鉬（MoS_2）作為研究對象，MoS_2是一種典型的二維過渡金屬硫化物，具有獨特的層狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)性能。其原子結(jié)構(gòu)由一層鉬原子夾在兩層硫原子之間組成，通過范德華力相互作用形成層狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予了MoS_2直接帶隙特性，在光電器件應(yīng)用中具有重要價值。實驗設(shè)計如下：首先，采用化學(xué)氣相沉積（CVD）方法在藍寶石基底上生長高質(zhì)量的MoS_2薄膜。通過精確控制生長溫度、氣體流量和生長時間等參數(shù)，確保MoS_2薄膜的均勻性和高質(zhì)量生長。為引入應(yīng)變，設(shè)計了一種基于微機電系統(tǒng)（MEMS）的應(yīng)變施加裝置。該裝置由可動電極和固定電極組成，通過在兩電極間施加電壓，利用靜電力使可動電極發(fā)生位移，從而對與可動電極相連的MoS_2薄膜施加應(yīng)力。通過精確控制電壓的大小和方向，可以實現(xiàn)對MoS_2薄膜應(yīng)變大小和方向的精準(zhǔn)調(diào)控。在CL譜測量方面，將制備好的MoS_2樣品放置于掃描電子顯微鏡（SEM）的樣品臺上，并與CL探測器相連。調(diào)節(jié)SEM的電子束參數(shù)，設(shè)置加速電壓為10keV，束流為1nA，以保證電子束能夠有效地激發(fā)MoS_2樣品產(chǎn)生陰極熒光。使用高分辨率的CL探測器，確保能夠準(zhǔn)確測量不同應(yīng)變條件下MoS_2的CL譜。為了提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性，對每個應(yīng)變條件下的樣品進行多次測量，并取平均值作為最終結(jié)果。4.3.2實驗結(jié)果與分析通過實驗，成功獲得了不同應(yīng)變條件下MoS_2的CL譜數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果顯示，在未施加應(yīng)變時，MoS_2的CL譜在650nm左右出現(xiàn)一個明顯的發(fā)射峰，這對應(yīng)著MoS_2的直接帶隙發(fā)光。當(dāng)施加拉伸應(yīng)變時，隨著應(yīng)變的逐漸增大，發(fā)射峰逐漸向長波方向移動，即發(fā)生紅移現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)變達到1%時，發(fā)射峰位置移動到660nm左右。這是因為拉伸應(yīng)變使MoS_2的晶格常數(shù)增大，原子間距離增加，電子云重疊程度減小，導(dǎo)致帶隙減小，電子躍遷釋放的光子能量降低，從而使發(fā)射峰紅移。相反，當(dāng)施加壓縮應(yīng)變時，隨著應(yīng)變的增大，發(fā)射峰逐漸向短波方向移動，即發(fā)生藍移現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)變達到-1%時，發(fā)射峰位置移動到640nm左右。這是由于壓縮應(yīng)變使MoS_2的晶格常數(shù)減小，原子間距離減小，電子云重疊程度增大，帶隙增大，電子躍遷釋放的光子能量升高，導(dǎo)致發(fā)射峰藍移。通過對發(fā)射譜強度的分析發(fā)現(xiàn)，在一定范圍內(nèi)，隨著拉伸應(yīng)變的增加，發(fā)射譜強度逐漸增強。這是因為拉伸應(yīng)變提高了載流子的遷移率，使得載流子更容易發(fā)生復(fù)合，從而增強了發(fā)射譜的強度。然而，當(dāng)應(yīng)變超過一定值時，發(fā)射譜強度開始下降。這可能是由于過大的應(yīng)變引入了更多的缺陷和雜質(zhì)，增加了載流子的散射概率，導(dǎo)致非輻射復(fù)合增加，從而降低了發(fā)射譜的強度。這些實驗結(jié)果與前面章節(jié)中關(guān)于應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料光電特性影響機制的理論分析結(jié)果高度一致。理論分析表明，應(yīng)變會改變材料的晶格常數(shù)和能帶結(jié)構(gòu)，進而影響材料的發(fā)光特性。本實驗通過CL譜測量，直觀地驗證了這一理論分析結(jié)果，為深入理解應(yīng)變對低維半導(dǎo)體材料性能的影響提供了有力的實驗依據(jù)。五、研究結(jié)論與展望5.1研究總結(jié)本研究圍繞低維半導(dǎo)體材料的原位應(yīng)變技術(shù)及應(yīng)變調(diào)控的陰極熒光譜展開，取得了一系列具有重要理論和實踐意義的成果。在低維半導(dǎo)體材料原位應(yīng)變技術(shù)研究方面，系統(tǒng)分析了基底選擇性生長、氮化物外延、摻雜以及壓力誘導(dǎo)應(yīng)變等多種技術(shù)方法?；走x擇性生長通過利用基底與生長材料之間的晶格常數(shù)和熱膨脹系數(shù)差異，在材料生長過程中引入可控應(yīng)變，為材料性能調(diào)控提供了基礎(chǔ)。在GaN材料生長中，通過選擇合適的基底和優(yōu)化生長工藝，有效調(diào)控了材料中的應(yīng)變狀態(tài)，降低了位錯密度，提高了晶體質(zhì)量，從而顯著改善了GaN基光電器件的性能。氮化物外延技術(shù)利用化學(xué)氣相沉積或分子束外延等方法，在晶格相似但熱膨脹系數(shù)不同的材料上生長氮化物薄膜，通過精確控制外延生長條件，實現(xiàn)了對薄膜應(yīng)變狀態(tài)和晶體質(zhì)量的有效調(diào)控。摻雜引起的應(yīng)變則是通過在半導(dǎo)體材料中引入雜質(zhì)原子，利用雜質(zhì)原子與半導(dǎo)體原子的尺寸差異，在晶格中產(chǎn)生應(yīng)變，實現(xiàn)對材料電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能的調(diào)控。壓力誘導(dǎo)應(yīng)變技術(shù)通過在器件上施加外力，利用材料的彈性力學(xué)特性產(chǎn)生應(yīng)變，為低維半導(dǎo)體材料的應(yīng)變調(diào)控提供了一種新的手段。在應(yīng)變調(diào)控對低維半導(dǎo)體材料性能的影響研究中，深入揭示了應(yīng)變對材料光電特性的影響機制。應(yīng)變通過改變晶格常數(shù)，使材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，進而影響載流子的有效質(zhì)量和遷移率。在直接帶隙半導(dǎo)體中，應(yīng)變導(dǎo)致導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)哪芰堪l(fā)生相對變化，改變帶隙大小，從而影響材料的光吸收和發(fā)光特性。在間接帶隙半導(dǎo)體中，應(yīng)變不僅改變帶隙能量，還可能導(dǎo)致帶隙類型轉(zhuǎn)變，影響發(fā)光效率。在典型器件中的應(yīng)變調(diào)控研究方面，以發(fā)光二極管、量子阱激光器和紅外探測器為例，驗證了應(yīng)變調(diào)控在提升器件性能方面的有效性。在發(fā)光二極管中，應(yīng)變能夠精確調(diào)節(jié)量子阱中載流子的有效質(zhì)量，實現(xiàn)對發(fā)光波長和光強的有效調(diào)控。在量子阱激光器中，應(yīng)變場影響載流子注入、波導(dǎo)模限制和能帶結(jié)構(gòu)等多個方面，精確控制應(yīng)變場的大小和空間分布，能夠?qū)崿F(xiàn)激光器性能的優(yōu)化。在紅外探測器中，應(yīng)變可以調(diào)整量子阱帶隙，優(yōu)化探測器的靈敏度和選擇性。在應(yīng)變調(diào)控的陰極熒光譜研究中，深入闡述了陰極熒光譜（CL）技術(shù)的原理，包括CL譜的產(chǎn)生機制和測量分析方法。CL譜基于電子與物質(zhì)的相互作用，通過電子束轟擊半導(dǎo)體材料，激發(fā)電子躍遷產(chǎn)生熒光，其發(fā)射譜包含了豐富的材料能級分布和載流子輸運特性信息。CL譜在應(yīng)變分析中具有重要應(yīng)用，能夠精準(zhǔn)表征應(yīng)變對能帶結(jié)構(gòu)的影響，通過分析發(fā)射譜的峰值位置、強度和寬度，獲取材料帶隙能量、載流子復(fù)合過程和非輻射復(fù)合中心等信息。通過CL譜研究應(yīng)變對載流子輸運特性的影響，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變改變了載流子的散射機制和遷移率，從而影響發(fā)射譜的強度和壽命。通過對二硫化鉬（MoS_2）的CL譜研究案例，驗證了應(yīng)變對材料性能的影響規(guī)律，實驗結(jié)果與理論分析高度一致。5.2研究成果的應(yīng)用前景本研究成果在半導(dǎo)體器件制備、性能優(yōu)化等實際應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛在價值，有望為多個領(lǐng)域帶來創(chuàng)新性的突破。在半導(dǎo)體器件制備領(lǐng)域，原位應(yīng)變技術(shù)的精確控制和優(yōu)化為高性能器件的制備提供了堅實的技術(shù)支撐。在集成電路制造中，通過巧妙運用基底選擇性生長技術(shù)，能夠精確調(diào)控半導(dǎo)體材料的應(yīng)變狀態(tài)，從而顯著提高晶體管的性能。精確控制硅鍺合金