納米線（NWs）在石墨烯薄膜上的自組織生長是通過金屬有機化學氣相沉積的范德瓦爾斯外延機制實現的。這是一個基本的現象，與已知的生長機制，如自催化和金屬催化的納米線生長有著質的區別。我們提出了一個理論模型，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，啟動了隨后的InAs/InxGa1-xAs核殼NWs的生長，并有自發的相分離。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遠超過了垂直方向上的速度。它還通過考慮轉化過程中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一步優化基于二維材料的NW的制造程序具有至關重要的意義。
圖1. Ⅲ族原子在解吸前以擴散長度λ向石墨烯表面的凸起、扭結或缺陷積累和擴散。插圖顯示了石墨烯特定H位（藍色固體循環）或H位和B位（綠色固體循環）上方（111）平面內的原子（In、Ga或As）的布局，以便與石墨烯晶格匹配。對于晶格常數為5.653 Å的砷化鎵來說，H位與石墨烯的面內晶格錯配為6.3%，而H位和B位與石墨烯的面內晶格錯配為8.2%。
圖2. InGaAs殼結構的成核過程。首先，InAs團簇在開始時形成，然后，在一定的臨界半徑下發生島到NW的轉變；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，直到殼結構的側壁面完全形成。最后，徑向生長被終止，新形成的InGaAs殼和InAs核將作為種子，在垂直方向上啟動異質結構NW生長，同時保持半徑不變。由于兩個相鄰面之間的 "均勻擴散 "效應，(7)我們考慮腺原子從InAs NW頂部向其側壁的逆向擴散。
圖3. InAs/InGaAs NWs的生長動力學說明。L<λIn的短NW通過直接撞擊和表面擴散從整個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）。
相關研究成果由鄭州大學Xu Zhang等人2023年發表在Crystal Growth & Design (https://doi.org/10.1021/acs.cgd.3c00213)上。原文：Self-Organized Growth of Nanowires on a Graphene Film。
轉自《石墨烯研究》公眾號
