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本论文工作是围绕课题组承担的国家重点基础研究发展规划（973计划）项目（No：2010CB327600）、国家863计划项目（No：2009AA03Z405，2009AA03Z417）、高等学校学科创新引智计划（No：B07005）、国际科技合作重点项目（No：2006DFB11110）、新世纪优秀人才支持计划资助（No：NCET-08-0736）、中央高校基本科研业务费资助（No：BUPT2009RC0409，BUPT2009RC0410）、教育部“长江学者和创新团队发展计划”（No：IRT0609）展开的。
低维半导体异质结构本身有很多的优点，在低维结构中，半导体纳米线（或者量子线）由于具有众多独特的优点而在新一代电子、光电器件以及系统中有着广阔的应用前景。利用自下而上的外延生长方法所制备的纳米线具有很多优点，比如高的晶体质量、生长方向更易于控制、易于形成有序的自支撑纳米线阵列、更易于集成等。半导体纳米线材料的合成技术和控制生长方法对纳米线结构和器件的发展有着举足轻重的作用，对于纳米线的研究不仅要解决其外延生长的问题（如晶体质量控制、掺杂、实验的可重复性等），还要解决纳米线的位置控制、生长方向和形貌控制、纳米线器件的制备以及相关功能集成等问题。目前，纳米线生长面临的主要问题包括：生长控制、异质结构制备、掺杂、基于Si衬底的功能集成。本论文围绕着Ⅲ-V族半导体纳米线以及相关异质结构的外延生长问题开展了大量的理论和实验工作，对于InP、GaAs、GaP、InAs、InGaAs纳米线和相关纳米线异质结构的生长机制和优化生长开展了系统的理论分析和实验创新。主要研究成果如下所述：
1、在GaAs纳米线生长方面取得重要进展。探索了Au辅助生长GaAs纳米线的最佳生长条件，利用低压金属有机物化学气相沉积（LP-MOCVD）技术在GaAs（111）衬底上生长出高质量的GaAs纳米线，TEM测试显示所生长的GaAs纳米线是无缺陷的纯闪锌矿结构。研究表明： TMGa在Au-Ga合金液滴表面为选择性裂解，生长过程中吸附原子扩散对轴向生长的贡献可以忽略，所以合金液滴的过饱和度在生长过程中能保持稳定，从而实现无缺陷的纳米线生长。
2、探索了金薄膜厚度与GaAs纳米线的密度、直径分布和生长速率的关系，实现了不同直径和密度GaAs纳米线的等高生长。测试结果显示GaAs纳米线的密度随着金薄膜厚度的增加而减小，平均直径和生长速度随着金薄膜的厚度增加而增加。研究表明：纳米线的等高生长源于反应室中高的过饱和度，而合金颗粒密度越大，覆盖率就越大，气相源分子的收集面积越小导致生长速度随密度的增加而减小。
3、首次实现了Si基无缺陷纯闪锌矿结构GaAs纳米线的生长。在Si（111）衬底上，首先生长GaAs/AlGaAs缓冲层，利用双温生长技术，生长出无缺陷纯闪锌矿结构GaAs纳米线。研究表明应用缓冲层技术可以有效地释放失配应变，突破纳米线大失配异质外延的临界直径限制，并且缓冲层可以有效阻挡Au原子向衬底扩散以及衬底Si原子向纳米线扩散。
4、分析了GaP和InP纳米线的生长特点。讨论了在Si（111）衬底上生长了GaP纳米线的形貌和生长特点。讨论了InP（100）衬底上生长具有K型、瓶型、Y型、L型等复杂形貌的InP纳米线，分析了衬底取向、扩散原子、Gibbs-Thomson效应等的影响以及生长动力学过程。考察了InP（111）衬底上生长InP纳米线的生长特点。
5、探索了InP/GaAs、InAs/GaAs轴向异质结构纳米线的生长特点。讨论了不同半导体材料串接生长轴向纳米线异质结构时出现的生长方向混乱现象，研究表明不同材料串接生长成异质结构纳米线时受到界面能差异和临界直径的限制。
6、应用弹性力学模型分析了含有组分渐变缓冲层的轴向异质结构的应变与应力分布。研究表明渐变缓冲段单层越薄越能有效释放应变，并且该结构可以显著改善轴向串接纳米线生长的界面能，突破纳米线异质外延临界直径的限制。
7、首次实现了InAs/InχGa1-χAs/GaAs轴向双异质结构的生长，并实现了GaAs/AlGaAs轴向多量子阱和径向“核-壳”异质结构的控制生长。利用插入InχGa1-χAs组分渐变缓冲段实现了InAs/InχGa1-χAs/GaAs轴向双异质结构。TEM测试表明，所生长的InAs段纳米线是具有周期孪晶面结构的纯闪锌矿结构，组分渐变缓冲段可以有效的释放应变和应力，克服界面能差异引起的生长方向紊乱。通过控制生长温度分别抑制径向和轴向生长得到GaAs/AlGaAs轴向多量子阱和径向“核-壳”异质结构。15K PL谱测试表明，径向“核-壳”异质结构纳米线的PL强度比没有钝化的GaAs纳米线的强度大约强50倍，其发光峰峰值在840nm，FWHM值约为40nm。研究表明AlGaAs壳层作为钝化层可减小表面非辐射复合中心，并且可在空间上分离纳米线壳层和核层的电子态，从而有效地减小了表面态的影响，增强了核层的发光效率。