CN101124152A - 分枝纳米晶须形成的纳米结构和制造它的方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成具有树形式的纳米结构的方法，包括第一阶段和第二阶段。第一阶段包括在衬底表面上提供一个或多个催化颗粒，并经由每个催化颗粒生长第一纳米晶须。第二阶段包括在每个第一纳米晶须的周边上提供一个或多个第二催化颗粒，和从每个第二催化颗粒生长从各自第一纳米晶须的周边横向伸出的第二纳米晶须。可包括另外的阶段以生长一个或多个从前一阶段的纳米晶须伸出的另外纳米晶须。可在纳米晶须内形成异质结构。这种纳米结构可形成太阳能电池阵列或发光面板的元件，其中纳米晶须由光敏材料形成。可通过定位第一纳米晶须紧密到一起形成神经网络，从而邻近的树通过随后阶段中生长的纳米晶须接触另外一个，并且纳米晶须内的异质结形成对电流的隧道势垒。

Description

分枝纳米晶须形成的纳米结构和制造它的方法
相关申请交叉参考
本申请要求2003年11月26日提交的美国临时专利申请No.60/524890的优先权权益，本文引入其全部内容作为参考，和2004年4月9日提交的美国临时专利申请No.60/560701的优先权权益，本文引入其全部内容作为参考。
发明背景
发明领域
本发明一般涉及利用纳米工艺技术制造结构和装置的方法。更具体但不唯一地，本发明涉及制造结合至少一种基本为一维形式且在其宽度或直径上具有纳米尺度的元件的纳米结构的方法。对本申请来说，这种元件被命名为“纳米晶须”。本发明还涉及结合纳米晶须的优选通过通常所说的气-液-固(VLS)机制制造的结构和装置。
背景技术
纳米工艺技术和方法可提供尺寸范围从原子尺度的小型装置到规模大得多的结构例如微观规模的结构。通常，这种结构包括“纳米结构”。在特定的上下文中，纳米结构被认为是至少两个维度不大于约100nm的那些。通常，具有一个或多个厚度小于1μm的层的层状结构或原材料不被认为是纳米结构。纳米结构包括一维纳米元件(nanoelement)，其基本为一维形式，且在它们的宽度或直径上具有纳米尺度，并通常被称为纳米晶须、纳米棒、纳米线、纳米管等。
利用通常所说的VLS(气-液-固)机制在衬底上形成微观晶须的基本方法是众所周知的。在特定气体的存在下加热例如衬底上的催化材料通常是金的颗粒形成熔体。在熔体下形成柱形物，熔体在柱形物顶上上升。结果得到凝固颗粒熔体位于顶上的所需材料的晶须。参见E.I.Givargizov，Current Topics in Materials Science，第1卷，79-145页，North Holland Publishing Company，1978。这种晶须的尺度在微米范围内。
国际申请公开No.WO01/84238在图15和16中公开了形成纳米晶须的方法，其中在衬底上由气溶胶沉积纳米尺寸颗粒，使用这些颗粒作为形成纳米晶须和其它一维纳米元件的晶种。
尽管因生长晶须尖端处催化颗粒的存在而催化的纳米晶须的生长通常被称为VLS(气-液-固)方法，但已认识到催化颗粒可能不必处于液态来作为晶须生长的有效催化剂。至少一些证据表明，形成晶须的材料可到达颗粒-晶须界面，并有助于生长晶须，即使催化颗粒处于低于其熔点的温度下并可假定处于固态。在这种条件下，生长材料例如在晶须生长时加到其尖端的原子，可能会通过固体催化颗粒的主体扩散或可能甚至沿固体催化颗粒的表面扩散到处于生长温度的晶须的生长尖端。显然，总效果是相同的，即由催化颗粒催化的晶须伸长，而不管在特定温度环境、催化颗粒组成、预定的晶须组成或与晶须生长有关的其它条件下的具体机理如何。对于本申请，术语“VLS方法”或“VLS机制”或等价的术语用于包括其中纳米晶须生长被与纳米晶须的生长尖端接触的液体或固体颗粒催化的所有这类催化方法。
如前所述，对于本申请，术语纳米晶须用于指宽度或直径(或通常横断面尺度)为纳米尺寸的一维纳米元件。优选地，但不是必然地，通过通常所说的VLS机制形成元件。纳米晶须在本领域中也称为“纳米线”或在本文中简单地称为“线”，本申请中使用的这类术语等价于术语“纳米晶须”。在本发明的优选实施中，纳米晶须横断面尺度一般不超过50nm，更优选约20nm或更小。但是，在本发明的较宽范围内，利用横断面尺度大于50nm、直到100nm或甚至500nm或更高的纳米晶须。当然，较大的纳米晶须横断面尺度通常产生较大的结构，并可能因此在许多应用中不太理想。
已进行了关于纳米晶须生长方面的几项实验研究。Hiruma等人在金属有机化学气相沉积(MOCVD)生长系统中在III-V衬底上生长III-V纳米晶须。参见K.Hiruma等人，J.Appl.Phys.74，3162页(1993)；K.Hiruma等人，J.Appl.Phys.77，447页(1995)；K.Hiruma等人，IEICETrans.Electron.E77C，1420页(1994)；K.Hiruma等人，J.Crystal Growth163，226-231页(1996)。
在Samuelson等人的以No.2004-0075464公开的先前美国专利申请No.10/613071和国际专利申请公开No.WO-A-04/004927中，本文引入这两个公开专利和在它们下面的申请作为参考，它们公开了通过化学束外延法形成纳米晶须的方法。纳米晶须被公开具有不同材料的段，其间具有陡峭或边缘清晰的异质结。公开了具有控制尺寸的各种纳米结构和形成。这种纳米结构用作形成所公开的新型结构的组成部分。
Gao等人，“Self-assembled Nanowire-Nanoribbon Junction Arraysof ZnO”，J.Phys.Chem.B，106(49)卷，12653-12658页公开了包括ZnO分枝结构的通过VLS方法形成的纳米结构。
合成了具有各式各样形状的纳米晶。在Manna等人的“Synthesisof soluble and processable rod-，arrow-，teardrop-，and tetrapod-shapedCdSe nanocrystals”，J.Am.Chem.Soc.122，12700-12706页(2000)中公开了通过从溶液沉淀合成具有控制尺寸的四角锥体形状结构作为整体结构。
至于由大量纳米结构形成的结构，太阳能电池(通常所说的Gritzel电池)是已知的，其包括用单层电荷转移染料涂敷的TiO2颗粒的光学透明薄膜。参见O’Regan等人的“A low-cost，high-efficiency solar cellbased on dye-sensitive colloidal TiO2 films”，Nature 353，737-740页(1991)。
自从Carver Mead用VLSI系统的开创性工作后，对神经网络(神经形态电子学)进行了许多研究工作。对于最近的报道，参见例如Cohen等人，Report on the 2003 Workshop on Neuromorphic Engineering，Telluride，Colorado，2003年6月29-7月19。但是，这个领域通常还没有应用纳米工艺技术。
发明概述
本发明在它的一个主要方面提供具有由纳米晶须形成的新型树状构造的纳米结构和产生这种纳米结构的方法。通常，树状结构包括基础纳米晶须，其可被类比为树的干，一个或多个纳米晶须从基础纳米晶须的外围表面向外生长并类似于树的分枝。另外的纳米晶须“分枝”可在一个或多个先前生长的纳米晶须分枝的外围上生长，产生更复杂的“树”结构。可按任何所需的方式形成基础纳米晶须，但优选通过VLS机制在衬底上生长，以便从衬底直立起来。分枝纳米晶须也优选通过VLS机制形成，在沿基础纳米晶须长度的中间点处，或在纳米晶须生长在先前生长的分枝上的情况下，在沿先前生长的分枝长度的中间点处。可控制纳米晶须的组成材料和生长参数以便获得具有所需形式和特征的结构。自组装技术可有利地用于形成新型结构和结合大量树状纳米结构的装置。
本发明的基本原理因此涉及在一系列阶段中由纳米晶须形成纳米结构。在第一阶段中，在衬底上提供第一催化颗粒(例如作为颗粒阵列)，通过VLS方法从催化颗粒生长第一纳米晶须(本文中其可被称为第一级纳米晶须)以便从衬底直立起来，包括暴露衬底到适宜的条件，如温度、压力等。在第二阶段中，第二催化颗粒被沉积在直立纳米晶须的侧上。通常，这通过催化颗粒的气溶胶沉积来完成。在第二VLS方法中，从第二催化颗粒形成第二纳米晶须(本文中其被称为第二级纳米晶须)，并且这些纳米晶须从纳米晶须的侧横向伸出，象树的分枝。本发明因此提供一种控制的逐步生长类似于树结构的分枝半导体纳米线结构的方法。该方法利用通过纳米颗粒催化的外延生长的纳米线。纳米晶须“分枝”的级可连续生长，使得这类结构的复杂性理论上无限制，其中每组纳米晶须分枝可按照需要被给予不同的长度、直径和化学组成，或甚至化学组成的变化。因此，与通过上文提到的已知“单阶段”方法产生的纳米结构相比，本发明在可形成的纳米结构的多样性方面能提供大得多的灵活性。应认识到，尽管考虑了大量第一级和第二级纳米晶须的生长，但刚刚描述的两阶段方法可在第一阶段中仅仅使用单一纳米颗粒，以便生长单一纳米晶须干，在第二阶段中从干生长一个或多个分枝纳米晶须。此外，应认识到，在实践中，纳米晶须生长可能不能通过沉积在表面上的每个催化颗粒来发生。因此，在本申请的上下文中，对具体催化颗粒如第一催化颗粒、第二催化颗粒、其它催化颗粒的提及和类似提及旨在包括纳米晶须生长实际发生的那些催化颗粒。
在第一方面，本发明提供形成纳米结构的方法，包括生长第一纳米晶须，优选在衬底上，和从第一纳米晶须的周边生长第二纳米晶须使得第二纳米晶须横向伸出第一纳米晶须。
根据一种优选的方式，本发明提供形成纳米结构的方法，包括：
第一阶段，包括在衬底上提供至少一个第一催化颗粒和经由每个所述第一催化颗粒通过VLS方法生长各自的第一纳米晶须；和
第二阶段，包括在至少一个所述第一纳米晶须的周边上提供至少一个第二催化颗粒，和从每个所述第二催化颗粒通过VLS方法生长从各个第一纳米晶须的周边横向伸出的第二纳米晶须。
在第二方面，本发明提供一种纳米结构，包括在衬底上的第一纳米晶须，和至少一个从第一纳米晶须的周边生长并横向伸出第一纳米晶须的第二纳米晶须。第一纳米晶须优选从衬底生长以便从其直立起。
在随后的讨论中，所述第二纳米晶须可被称为“分枝纳米晶须”，和所述第一纳米晶须被称为“干”或“茎”纳米晶须。第三，如果需要，可进行类似于第二阶段的一个或多个后续阶段，借此在每个连续阶段中可从最近的前一阶段中形成的纳米晶须的侧横向生长其它的纳米晶须(类似于“小枝”或“叶”)。
在纳米晶须生长的所述第一阶段，可按任何合适的方式在衬底上形成催化颗粒，例如通过气溶胶沉积、电子束写入或纳米压印光刻。在需要精确定位的纳米晶须阵列时，可使用2004年1月7日提交的Samuelson等人的共同待审美国专利申请No.10/751944中公开和要求的技术，本文引入其内容作为参考。
可使用任何合适的方法从催化颗粒通过VLS方法形成纳米晶须。MOVPE(MOCVD)和CBE方法是目前优选的，这在前面已提出和说明过，如在前面的Samuelson等人的公开为No.2004-0075464的美国专利申请No.10/613071和国际专利申请公开No.WO-A-04/004927中，本文引入这两个公开和在它们下面的申请作为参考。
纳米颗粒的气溶胶沉积在本发明中提供优势，因为纳米颗粒能容易地被沉积到复杂结构上面并已知能高度精确地控制用它们作为晶种的纳米线的直径。可非常精确地控制它们的密度，从而可精确地控制在已有纳米晶须上形成的纳米晶须分枝的数量。另外，能精确地确定纳米晶须分枝的取向，因为相对于它们在其上生长的纳米晶须，它们可能只有有限的取向数量，这在下文中更详细地说明。可对纳米晶须分枝沿着它们在其上生长的纳米晶须长度上的间距施加进一步控制。这种控制本质上基于统计或平均基础，而不是逐一定位技术。
发现通过施加电压到衬底，在纳米晶须周围形成的电场大大有助于纳米颗粒静电沉积到已有的已生长的纳米晶须上。因此所述第二催化颗粒优先沉积在第一纳米晶须的与衬底相对的侧上。尽管在衬底上有一定的随机沉积，但在纳米晶须周围形成的高电场将导致在纳米晶须上的优先沉积。更一般地，第n次催化颗粒沉积(n为大于或等于2的正整数)优先沉积在纳米晶须的第(n-1)次生长上，但对于第三或随后的颗粒沉积，也可能发生在第(n-2)次生长等上的一些沉积。另外，发现通过气溶胶沉积的适当控制可在已有纳米晶须的圆周上并沿纳米晶须的长度均匀地分布催化颗粒。
尽管气溶胶沉积是优选的，但原则上可使用在纳米晶须侧面上定位催化颗粒的其它手段。例如，如果需要更精确的位置，就可利用原子力显微镜、用手或通过自动定位技术定位催化颗粒。
至于纳米晶须相对于衬底的取向，对于第一级纳米晶须，垂直于衬底表面直立伸长通常是方便的。通常，对于III-V半导体材料，这可通过使用(111)衬底表面实现，从而第一级纳米晶须在<111>方向上伸长。但是，如果需要，可使用能意味着第一级纳米晶须将与衬底表面以一定倾斜角度伸长的其它衬底表面。通过小心控制催化生长方法，可获得相对于各种衬底表面的所需方向。参见Seifert等人的2004年2月6日提交的共同待审美国专利申请No.60/541949，本文引入其内容作为参考。在该申请中，公开了纳米晶须可在纳米晶须材料的所需晶面内生长，条件是在生长的最初阶段不激活其它优先生长方向。
另外，衬底材料可不同于第一级纳米晶须的材料。参见Samuelson等人的2004年6月25日提交的共同待审美国专利申请No.60/582313，本文引入其内容作为参考。该申请公开了提供完美的原子水平上平坦的生长表面来促进从不相似材料表面生长纳米晶须。
第二级纳米晶须可由与第一级纳米晶须不同的材料形成，或更一般地，第n级纳米晶须可由与第(n-1)级纳米晶须不同的材料形成。这样可在每个纳米晶须的生长点处提供异质结，但如果需要精确形成的异质结，则优选在纳米晶须的生长中通过快速变换不同的气体生长材料改变生长条件，以沿纳米晶须的长度形成异质结，按照前面的Samuelson等人的公开为No.2004-0075464的美国专利申请No.10/613071和国际专利申请公开No.WO-A-04/004927中的教导，本文引入这两个公开和在它们下面的申请作为参考。在下文描述的具体实施例中给出了使用这类异质结的例子。
至于从第一级纳米晶须的侧伸出的第二级纳米晶须的取向，很大程度上由第一级纳米晶须的结晶小面确定。因此对于<111>方向的第一级纳米晶须，沿它的长度有六个小面，并且在<111>B方向上有彼此成120度的三个主要生长方向；这意味着第二级纳米晶须也将向下倾斜。这还意味着在全部第一级纳米晶须上的全部第二级纳米晶须将在这相同的三个方向上伸长。但是，如下面所公开的，在纳米晶须的晶体结构沿它的长度从闪锌矿型变化到纤维锌矿型时，这是可能经常发生的，可能存在三个另外的纳米晶须生长方向，相对于第一组以60度旋转。
对于第一级纳米晶须的其它方向，第二级纳米晶须可在不同的方向上伸长。例如，如果第一级纳米晶须具有<001>方向，则第一级纳米晶须可具有矩形横截面，并存在四个第二级纳米晶须生长方向，每个小面上有一个。由于在大多数通常情况下这些方向为<111>方向，因此两个生长方向将指向上，两个向下，但在平面中彼此成直角。
尽管本发明主要涉及纳米晶须，但在特定情况下，一维纳米元件的其它形式例如多壁纳米管的生长代替一个或多个纳米晶须生长阶段也是可能的。
因此在更一般的方面，本发明提供形成纳米结构的方法，包括生长第一一维纳米元件，优选在衬底上，和从第一一维纳米元件的周边生长第二一维纳米元件使得第二一维纳米元件横向伸出第一一维纳米元件。
在优选的方式中，本发明提供形成纳米结构的方法，包括：
第一阶段，包括在衬底上提供至少一个第一催化颗粒，和通过每个所述第一催化颗粒形成各自的第一一维纳米元件；和
第二阶段，包括在至少一个所述第一一维纳米元件的周边提供至少一个第二催化颗粒，和从每个所述第二催化颗粒形成从各个第一一维纳米元件的周边横向伸出的第二一维纳米元件。
在另一方面，本发明提供一种结构，包括衬底和在衬底上形成的一个或多个纳米结构，每个纳米结构包括从衬底直立起的第一一维纳米元件，并具有从它的周边生长和横向伸出的至少一个第二一维纳米元件。
在又一方面，本发明提供一种纳米结构，包括第一一维纳米元件、在第一一维纳米元件周边生长并横向伸出的第二一维纳米元件和在第二一维纳米元件周边生长并横向伸出的第三一维纳米元件。第一纳米元件优选从衬底生长以便从其直立起。
在还一方面，本发明提供一种结构，包括衬底和大量布置在衬底上的纳米结构，每个纳米结构包括生长在衬底上的各个第一一维纳米元件，和具有接触另一纳米结构的部分的至少一个纳米结构，其中所述一个纳米结构的所述部分包括从一个纳米结构的第一一维纳米元件的周边生长并横向伸出的第二一维纳米元件。
在由根据本发明的纳米结构形成的结构的一种具体应用中，构造一种太阳能电池阵列，其中使用至少部分所述催化颗粒作为在纳米晶须和衬底的自由端之间施加电压的电触点，允许通过光子捕获在纳米晶须内释放的光电子作为电流被放出。在纳米晶须内和之间形成的不相似材料之间的结点和异质结形成常规的光检测器区域。另外，不相似材料区域的使用可允许太阳能电池阵列对各种不同的波长区域敏感，因此使它更有效。
这种构造可能需要纳米晶须的周边与周围的导电材料(例如导电聚合物)电绝缘，其中导电材料用于接触纳米晶须端处的催化颗粒。在一种示例性实施方案中，可通过环绕每个纳米晶须形成绝缘材料的外圆柱形壳来形成这种电绝缘。通常，这通过在例如GaP的MOVPE生长操作中转换条件来完成，以致于使材料如AlP作为环绕每个纳米晶须的共轴壳来整体生长。随后，氧化操作将AlP外壳转化成Al2O3(透明蓝宝石)。
在另一应用中，通过提供通常类似于上述太阳能电池阵列的结构来形成发光面板，但其中每个第二级和/或第三级等纳米晶须在其中生长旋光材料的段，该段与纳米晶须的相邻部分形成异质结，以形成发光二极管。另外，或者可选地，如果需要，发光二极管可同样被结合到第一级纳米晶须内。在衬底和纳米晶须端处催化颗粒之间施加电压激发LED形成整体均匀的发光区域。或者，结构可被分割成能单独被激发形成可寻址显示器的像素或区域。
在由本发明的纳米结构形成的结构的另一应用中，形成神经网络。例如，可在衬底上将第一级纳米晶须紧密定位到一起，并可形成足够长和平均起来密度足以在(i)和(ii)之间形成电触点的分枝(例如第二)纳米晶须，其中(i)是与每个第一级纳米晶须相连的控制数量的分枝纳米晶须，(ii)是与邻近纳米树相连的干和/或分枝纳米晶须。利用上述技术，可在分枝纳米晶须内形成异质结以在其中形成隧道势垒，使分枝纳米晶须以类似于突触的方式通过在隧道势垒内堆积最终越过该势垒被释放或发射的电荷来起作用。同样，可在干纳米晶须中形成这种异质结。
附图简述
考虑结合下文简要描述的附图的本发明优选实施方案的以下描述，可更充分地理解本发明的上述和其它概念、方面和应用。
图1A-1D包括根据本发明的第一个实施例形成的GaP纳米结构的SEM图。图1A显示了包括通过催化颗粒的气溶胶沉积然后是MOVPE生长形成的分枝纳米晶须的纳米结构阵列，从上方30°观察。图1B显示了具有光刻界定的纳米结构或纳米树阵列的样品的修饰，从上方45°观察。图1C显示了从上面观察的3分枝方向。图1D显示了从上面观察的6分枝方向。
图2A-2C包括图1的GaP纳米结构的TEM图。图2A显示了展现出5个分枝的干的图象，可看到三个不同的生长方向。箭头标记图2B的位置。一些折断的分枝在图中也是可见的；注意到这些分枝在转移到TEM格子上方法中容易被折断。图2B显示了在更高放大倍率下的分枝-干界面(用箭头指示)。交替的纤维锌矿或闪锌矿结构的水平带平滑地延伸到分枝内，在晶体中没有明显的界面区域。图2C显示了表现干(X)、第一分枝(Y)和第二分枝(小枝)(Z)的3-级生长的图象。
图3A和3B包括说明通过沉积晶种颗粒控制图1结构的形貌或形状的图。图3A显示了作为颗粒沉积密度函数的每个树的颗粒和分枝的数目。图3B显示了作为每个树分枝数目函数的分枝长度。这种相关性归因于分枝生长中Ga扩散的作用。
图4A和4B显示了在图1的纳米晶须分枝中包含GaP-GaAsP双异质结构的纳米结构。图4A显示了具有一个分枝的EDX行扫描数据的TEM暗场图象。注意在第一界面处的As急剧增加/P减少。图4B显示了包含异质结构的六个独立纳米树的光致发光数据。
图5为结合了本发明的纳米结构并提供太阳能电池阵列的结构的横截面示意图。
图6为结合了本发明的纳米结构并提供发光面板的结构的横截面示意图。
图7A-7D为显示根据本发明的互连InAs纳米结构的SEM图，同样通过气溶胶催化颗粒沉积然后是MOVPE生长来形成。图7A显示了从上方观察的通过一对纳米晶须分枝互连的两个纳米晶须干的图象。每个互连分枝生长至足够长度以便通过它的相连催化颗粒电接触到邻近干上。图7B显示了从上方30°观察的同一图。图7C显示了从上方45°观察的根据本发明的另一对互连纳米结构，其中两个纳米晶须干通过单个分枝纳米晶须互连。图7D显示了从上方观察的同一图。
图8A和8B为各自包括大量紧密定位到一起彼此形成电接触的本发明纳米结构的神经网络结构的横截面示意图。
优选实施方案描述
在下文中，显示了半导体纳米线通过气-液-固(VLS)生长模式的自组装生长如何以高度可控的方式形成树状纳米结构。这种自底向上的方法优选利用催化纳米颗粒的最初引晶形成干，然后是分枝结构的连续引晶。在分枝长度、直径和数量以及化学组成方面控制每级分枝。利用高分辨率透射电镜，显示分枝机制在整个伸长的复杂树状结构内提供高度理想的连续结晶(整体式)结构。
开发了一种控制的逐步生长似树的分枝半导体纳米线结构的方法。这种方法利用通过金气溶胶纳米颗粒催化的外延生长的纳米线。各级“分枝”可顺序生长，使这种结构的复杂性在理论上无限制，其中每组分枝可被给予不同的长度、直径和化学组成，因此允许以前不能看到的控制程度和灵活性。气溶胶纳米颗粒在这种情况下提供很大的优势，因为它们容易被沉积到复杂结构上，并已知能高度精确地控制它们作为晶种的纳米线的直径。
实施例
包括分枝纳米树的纳米结构的生长按两个步骤进行。第一个步骤是生长垂直的GaP纳米线用作“干”。这些通过气-液-固(VLS)机制来生长。通过气溶胶沉积在GaP(111)B衬底(～10mm2)上沉积金晶种颗粒，密度为0.5个颗粒/平方微米衬底。为了实现这个目标，在高温(1850℃)炉中蒸发金，然后通过充电器得到均匀的电荷分布。于是，电迁移率可直接与尺寸相关，从而可使用微分迁移率分析仪(DMA)选择颗粒尺寸。然后，再加热(600℃)颗粒以烧结(在气溶胶系统内)，产生压实的球形，然后再次选择尺寸。由于这样选择的颗粒具有均匀尺寸并具有单一电荷，因此可通过测量撞击到静电计上的颗粒的电流测定总颗粒浓度。
以300kV/m的场强度通过静电沉淀在衬底上沉积纳米颗粒。设备由圆柱形室构成，其中在上板和下板之间施加均匀电场，在下板上放置衬底(参见国际专利申请公开No.WO01/84238，本文引入其内容作为参考)。当不施加场时，在气溶胶装置中产生的颗粒在这些板之间流动。当施加场时，带电颗粒向着衬底表面被推动，在衬底上产生随机但均匀的分布。由于气溶胶流中的颗粒浓度是不变的，因此沉积颗粒的总数(每单位衬底面积)是施加电场的时间的函数。作为布朗运动和颗粒上静电力之间的相互作用的函数，可精确预测这些颗粒的分布。对于详细的分析，参见Krinke等人，“Microscopic aspects of thedeposition of nanoparticles from the gas phase”，Journal of AerosolScience 33(10)，1341-1359页(2002年10月)。
随后通过金属-有机气相外延法(MOVPE)由这些晶种生长纳米晶须。使用40-70nm的粒度引晶这些“干”；使用0.5-2个颗粒/平方微米的沉积密度。纳米晶须的长度为生长时间的函数；对于所有干使用4分钟的生长时间(长度～2μm)。在这项工作中，在400、430、460、490和520℃的温度下在GaP衬底上生长GaP纳米晶须；压力保持恒定在10kPa下。在生长时间内向反应器供应三甲基镓(TMG)，摩尔分数χ(TMG)从0.6×10-5变化到2.5×10-5。保持磷化氢(PH3)的恒定流量，摩尔分数χ(PH3)为7.5×10-3。对于InP衬底上InP干的生长，三甲基铟为源材料，摩尔分数χ(TMI)＝1.5×10-6，生长温度为400℃和压力为10kPa。对于异质结构，引入胂(AsH3)；χ(AsH3)＝2.3×10-4。纳米晶须以恒定速度在<111>B方向上向上生长，具有六角形横截面；[001]纳米线具有正方形横截面。
下面的步骤是在干上生长较小的纳米线“分枝”。通过将样品放回到气溶胶颗粒沉积室内在干上沉积较小的气溶胶颗粒(10、15、20、30和40nm直径)。沉积密度从1变化到25个颗粒/平方微米衬底(显示与干上沉积的颗粒直接相关，图3A)。随后由新晶种颗粒在干上生长较小的纳米线“分枝”。特别地，在GaP干上产生GaP分枝，在InP干上产生InP分枝。这些分枝的长度为生长时间、反应物浓度和生长温度的函数；在这个试验中校准这些关系。应认识到，通过适当选择前体和其它生长条件，给定级的分枝纳米晶须可与前面级的纳米晶须在它们的总长度上或较短段上组成不同。
为了说明这种方法的通用性，将第三组金晶种颗粒(10、15、20nm直径)沉积到几种样品的分枝上。随后生长第三级分枝，同样使用GaP和InP(通过上述方法)。使用5-15个颗粒/平方微米衬底的沉积密度和10-20秒的生长时间。
用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征样品。对于高分辨率TEM图象，使用300kV透射电镜，点分辨率为0.162nm，并装备有场发射枪。用能量色散x-射线分光计进行化学分析，通常在STEM模式下，提供探针尺寸＜1nm。用2k×2k CCD相机数字记录相衬图象。通过靠着TEM格子机械摩擦衬底表面来准备用于TEM分析的样品，机械摩擦使树折断到格子上。由于这个原因，许多树在TEM图象中展现出一个或多个折断的分枝。
在GaP(111)B衬底上生长分枝的磷化镓(GaP)纳米结构或“纳米树”(图1，2)。首先，通过VLS生长方法在<111>B方向上生长纳米线“干”，使用金属-有机气相外延法(MOVPE)。然后，沿这些“干”沉积气溶胶晶种颗粒，第二生长阶段启动，产生界限清楚的“分枝”。分枝在其它三个<111>B方向上向下生长。图1A显示了每个树具有这种干-分枝结构的“纳米森林”的图象。在460℃下在MOVPE中生长“森林”，平均每个树具有8.9个分枝。这些结构高度稳定，当在空气中储存时在几个月内没有表现出形貌变化。还应注意到，沿整个衬底上没有树形貌的变化。
除了随机分布的树以外，还生长了纳米树的有序阵列(图1B)，按照2004年1月7日提交的Samuelson等人的共同待审美国专利申请No.10/751944中描述的技术，本文引入其内容作为参考。通过电子束光刻产生的金颗粒的阵列作为干纳米线晶种。在这种引晶后，纳米树的生长按前面讨论的随机分布的那些进行。
从上方观察，图1A或1B的树表现出以120°分开的三个分枝方向(图1C)，每个分枝纳米晶须在这三个方向的一个上伸长；这是干纳米晶须中晶面排列和要求第二级纳米晶须优先从干纳米晶须侧处的结晶小面在<111>方向上生长的结果。在图1C中，平均每个树有5.6个分枝。对于每个树具有少于7个分枝的样品，一般能观察到这种对称性。但是，干中的堆垛层错可导致从主要生长方向旋转60°的短段，从上方观察(图1D)。高分辨率TEM图象清楚显示了干纳米线内的大量堆垛层错(图2B)，给出混合的闪锌矿(立方)和纤维锌矿(六角形)结构。这种行为是众所周知的，并归因于该生长方向上堆垛顺序之间小的能量差异。观察到干和分枝的生长方向为立方晶胞中对称相关的<111>B方向，堆垛层错总是垂直于纳米线的生长方向(图2B)。
从旋转段成核的分枝将向下生长，当从上方观察时正好与主分枝成60°。由于分枝从随机沉积在干上的金气溶胶颗粒成核，因此从旋转段成核是可能的，但可能性在某种程度上小于主方向上的成核。发现对于低的晶种颗粒密度(因此分枝密度低)，几乎没有分枝生长在旋转段上。对于较高的密度，分枝可在全部三个旋转方向上生长，树一般表现出达到6个分枝方向，相隔60°，当从上方观察时。这显示在图1D中，每个树具有10个分枝。对于每个树具有10个以上分枝的样品，始终观察到这种对称性；对于每个树具有12个以上分枝的样品，所有的树显示出6个分枝方向。
Seifert等人的共同待审美国专利申请No.60/541949中公开了外延纳米线在除<111>B外的方向上的生长，本文引入其内容作为参考。这种纳米线作为干的使用考虑到分枝方向性的变化。按照发明，还在InP[001]干上生长了InP分枝。在与该研究中其它分枝相同的生长条件下，这种分枝在优先的<111>B方向上生长，导致在XY面上产生相隔90°的四个分枝方向。
在沉积方法中控制每平方微米衬底沉积的颗粒数目(统计意义上)。这直接决定了每个树沉积的颗粒数目和生长的分枝的数目。这种关系在研究的区域中是线性的(图3A)。注意到约一半颗粒作为分枝的晶种；干有六个小面，但只有三个对称相关的<111>B方向对于给定的晶体结构是可能的。在～10mm2面积的整个衬底上，对于给定的沉积密度，每个树分枝的数目变化±10％。对于非常高的密度，预料到沉积的颗粒数目将基本不变(与沉积密度无关)，因为每个树的表面积有限。干和分枝的直径都精确地由各自晶种颗粒的直径确定。分枝直径在这个尺寸范围内对树的形貌没有明显影响。对于给定的分枝密度，可通过生长时间、生长温度和反应物浓度来控制分枝长度。已校准了这些参数中每一个和得到的分枝形貌之间的关系；控制分枝的长度和直径到±5％内。
镓是GaP纳米线生长中的限制性反应物。认为分枝生长通过两个途径进行：第一个，通过从蒸气中直接引入Ga到晶种颗粒内(随后形成GaP)，第二个，Ga通过沿衬底、干和分枝扩散以被引入到颗粒内。第一个与分枝数目无关；生长速度仅仅由质量传递决定。通过这种途径，分枝作为时间的函数生长恒定体积；并且分枝长度与分枝数目无关。
但是，第二个途径允许Ga以恒定速度被引入到整个树内，与晶种颗粒的数目无关。因此，对于较大的分枝数目，作为时间的函数每个分枝就引入较少的Ga。分枝长度于是就为分枝数目的函数。还能看到，平均分枝长度随分枝密度增加而减小(图3B)。但是，分枝长度与干上的分枝位置无关，表明表面扩散在所选条件下不是限制性标准。
衬底上的颗粒沉积优选通过静电沉淀来进行，借此施加气溶胶流通过的电场。样品上晶种颗粒的分布由布朗运动力和静电力之间的相互影响和在电场中得到的颗粒运动来决定。参见Krinke等人，“Microscopic aspects of the deposition of nanoparticles from the gasphase”，Journal of Aerosol Science 33(10)，1341-1359页(2002年10月)。这种分布直接决定了分枝的分布。计算机模拟显示，变动的沉积参数将导致所得颗粒分布的变化。根据这些模拟，选择条件以便确保较少的颗粒沉积在衬底上，而且颗粒往往沿干均匀地分布；实验结果与这种预测一致。
生长了似子分枝或“小枝”的第三级纳米线。图2C为这种结构的图象，其中第一、第二和第三纳米晶须分别用附图标记X、Y和Z来命名。而且，气溶胶技术理想地适合于在分枝上沉积颗粒。第三级GaP分枝在其它<111>B方向上从第二级分枝生长，可通过选择生长条件控制长度和直径。在具有很少第二级分枝的树上，金颗粒也沉积在干上，产生等同于在第二级分枝上生长的那些的附加分枝。另外，InP第三级分枝在GaP树上生长；初步结果表明这些分枝保持<111>B生长方向。
通过改变每级和单独纳米线内的组成可将不同的材料引入到纳米结构内。这将允许引入不同的装置功能特性。为了说明这种可能性，在GaP纳米晶须干上生长InP纳米晶须分枝。同样，还产生了在分枝内具有GaAsP段的GaP纳米树(图4A)；高精确度地控制这些段的位置和长度。这些树表现出与均匀GaP树类似的形貌。图4B中显示的光致发光数据显示了与P/As比为0.08的GaAsP段一致的发光峰位置；注意峰位置(大约1.67eV)在六个不同的树上非常一致。通过与As形成合金，可连续移到发射波长从GaP的带隙(约550nm)向上朝着GaAs的带隙(约900nm)。
现在参考图5，这是根据本发明的太阳能电池阵列的横截面示意图。适宜半导体材料(例如GaP)的衬底50在它的上表面上形成第一级或干纳米晶须52的规则阵列。这些纳米晶须从在衬底表面上形成的催化颗粒54产生，优选通过NIL(纳米压印光刻)方法。第一级纳米晶须由例如为产生光电的合适材料GaP形成。纳米晶须52通过MOCVD方法产生，随后按上述方式通过气溶胶沉积在纳米晶须52的侧上沉积第二组催化颗粒56。然后进行纳米晶须生长的第二阶段以从第一级纳米晶须56的侧产生横向伸出的分枝或第二级纳米晶须58。第二级纳米晶须58由GaAsP形成，并与第一级纳米晶须52形成PN结60。
然后可重复该方法(为简明未示出)以在第二级纳米晶须的侧上沉积第三组催化颗粒，然后MOVCD方法产生从第二级纳米晶须的侧横向伸出的第三级纳米晶须。可适当地选择第三级纳米晶须的组成以与第二级纳米晶须58形成PN结。
然后将包括纳米晶须52和连带纳米晶须58的每个纳米结构(纳米树)包在电绝缘材料中。例如，通过改变MOCVD方法的生长条件和第二纳米晶须生长阶段结束时的生长材料，纳米结构可被包在磷化铝中，如在64处。然后氧化磷化铝产生氧化铝(蓝宝石)。这提供了第一、第二和第三纳米晶须与随后沉积在纳米树上的导电透明聚合物66或其它合适导电基质的电绝缘。这种导电聚合物在纳米晶须的端处提供了到催化颗粒的电接触，并因此提供了在纳米晶须的端和衬底之间施加电压的方式。聚合物66还为结构提供了平的顶表面68，并允许在其上形成接线端70。
因此在操作中，当结构暴露于光和施加电压到催化颗粒触点54、56上时，在纳米晶须52、58内尤其在PN结60中产生光电流，并且光电流离开装置。
为了改进操作，可通过在生长方法中在第二级纳米晶须内形成不同带隙材料的段(通过快速转换气态成分)以在第二级纳米晶须58内形成异质结；为了简明这没有示出。这些结提供光电的源。另外，不同材料的这种段可允许纳米结构响应各种光波长。类似地，可在随后级的分枝中和/或在第一级纳米晶须中形成异质结。按照需要，可使用这种异质结代替连续纳米晶须级之间的PN结或除它之外还使用这种异质结。
因此，图5中所示的结构允许使用单晶纳米树结构用于将光子光致电压转化成电，单晶纳米树为一种比上面提到的Grtzel电池复杂性低和更有效的结构。
为了解决单独纳米结构如何与太阳能电池的反电极接触的问题，使用导电(且对太阳辐射透明)聚合物66接触封端每个分枝纳米晶须的金催化颗粒。为了很好地控制这种接触和起作用，分枝相对于导电聚合物电绝缘。由于在生长中(线生长后)AlP64以核-壳结构覆盖茎、分枝和小枝，实现了这一点。在控制的方法中，AlP可被转化成Al2O3，使全部分枝相对于导电聚合物绝缘。导电聚合物还提供太阳能电池结构的平顶部表面。
纳米结构内的异质结构对于发光是理想的，每个异质结构都用作纳米-LED。作为在分枝中引入功能异质结构的可能性的示例，从包含200nm长的近似组成为GaAs0.9P0.1的段的各个GaP纳米树进行发光测量，在约1.67eV处显示出尖的发射(图4B)。这种发射显然与设计的GaAsP双异质结构段相关，说明了纳米树结构中功能元素用于例如光子学应用的潜在优势。
这种纳米-LED被结合到发光面板中，如图6中示意性指示，其中与图5中那些零件类似的零件用相同的附图标记表示。图5的结构被改变之处在于在每个第二级纳米晶须58中形成GaAsP的段72，在这个例子中，纳米晶须58由GaP形成。这种段和结合性异质结形成LED。透明ITO材料的接线端76位于导电聚合物66上。在接线端76和衬底之间施加电压激发LED段产生光。在一种改进形式中(为了简明未示出)，从第二级纳米晶须生长第三级或小枝纳米晶须，其中具有异质结，以形成更多的LED：这提供了更密的LED阵列。当然，可类似地在第一或干纳米晶须中提供异质结以在其中形成LED。在另一改进形式中，通过在彼此绝缘的结构零件上提供大量单独可寻址电极，结构能提供可寻址的显示面板。
因此，在图6中，从分枝和金颗粒注入相反电荷载体，并使它们在设计的异质结构中再结合，按照这种方式，它们将作为纳米水平发光二极管(LED)工作。总效果是提供发光面板。多分枝布置对这种应用是有益的，单独LED的任何缺陷或烧坏仅仅较少地影响这种发光面板的整体性能。
图7A-7D为使用催化颗粒的气溶胶沉积和MOVPE生长通过上述技术生长的InAs纳米结构的SEM图。图7A和7B显示了其中第一级纳米晶须或干通过一对第二级纳米晶须或分枝互连的一对纳米树结构。以这样的方向和距离定位干，并且连接分枝生长足够长至使每个连接分枝通过其各自的催化颗粒与邻近的干电接触。图7C和7D显示了另一种这类结构，其中一对干通过单一分枝互连。应注意到，为了实验目的，只有有限数量的金颗粒被沉积在纳米晶须干上。而且，平均而言，干上大约每隔一个催化颗粒实际上充当生长地点。因此，在图7D中看到，四个干中只有二个显示出纳米晶须分枝。
现在参考图8A，显示了提供神经网络的结构，神经网络包括互连的根据本发明的纳米结构或纳米树。衬底70具有在衬底表面上形成的第一级纳米晶须82的精密定位阵列。这通过以下实现：通过NIL方法在表面上形成催化颗粒84，然后，如Samuelson等人的共同待审美国专利申请No.10/751944中所公开，本文引入其内容作为参考，形成正好从催化颗粒部位伸长的纳米晶须。然后进行形成的第二阶段，其中通过气溶胶沉积方法在纳米晶须82的侧上沉积第二催化颗粒86，然后从纳米晶须82的侧生长第二级纳米晶须88。如所示，纳米晶须82被充分紧密地定位到一起，并且第二级纳米晶须生长足够长，在统计基础上，使得平均在每个第一级纳米晶须82上生长的二个或三个第二级纳米晶须与邻近纳米树结构的相邻第一级纳米晶须之间实现电接触。
另外，在第二级纳米晶须88的形成方法中，改变生长条件和材料以便插入具有明显不同带隙的不同材料的段90(例如在InAs晶须中的InP段)。这形成隧道势垒排列。操作时，当施加电压到排列上时，电荷聚集在隧道势垒段90处，当克服阈电压时，电流就以类似于神经网络突触的方式流过隧道势垒。另外，或者可选地，可通过如前所述的生长条件和其材料的适当改变将隧道势垒引入到干纳米晶须内。此外，可通过分枝-分枝连接在相邻的纳米树结构之间形成互连，如图8B中示意性所示。

Claims (126)

1.一种形成纳米结构的方法，包括：
第一阶段，其包括在衬底表面上提供至少一个第一催化颗粒，和经由每个第一催化颗粒通过VLS方法生长第一纳米晶须；和
第二阶段，其包括在至少一个所述第一纳米晶须的周边提供至少一个第二催化颗粒，和从每个第二催化颗粒通过VLS方法生长从各个第一纳米晶须周边横向伸出的第二纳米晶须。
2.如权利要求1所述的方法，还包括第三阶段，其包括在至少一个所述第二纳米晶须的周边提供至少一个第三催化颗粒，和从每个第三催化颗粒通过VLS方法生长从各个第二纳米晶须的周边横向伸出的第三纳米晶须。
3.如权利要求1所述的方法，其中通过纳米压印光刻方法在衬底上沉积大量所述第一催化颗粒。
4.如权利要求1所述的方法，其中通过气溶胶沉积在衬底上沉积大量所述第一催化颗粒。
5.如权利要求4所述的方法，其中控制沉积密度以控制所述大量中的所述第一催化颗粒的数目。
6.如权利要求4所述的方法，其中气溶胶沉积中的所述大量第一催化颗粒具有均一尺寸。
7.如权利要求4所述的方法，其中气溶胶沉积中的所述大量第一催化颗粒带单一电荷。
8.如权利要求1所述的方法，其中施加电压到衬底上以促进通过静电沉淀在衬底上沉积第一催化颗粒。
9.如权利要求1所述的方法，其中第二催化颗粒通过气溶胶沉积被沉积在第一纳米晶须上。
10.如权利要求9所述的方法，其中施加电压到衬底上以促进通过静电沉淀在第一纳米晶须上沉积第二催化颗粒。
11.如权利要求9所述的方法，其中按照每个第一纳米晶须上所需的第二催化颗粒数目控制气溶胶沉积的密度。
12.如权利要求11所述的方法，其中每个第一纳米晶须上第二催化颗粒的数目同在±10％内。
13.如权利要求9所述的方法，其中每个第一纳米晶须周边上的第二催化颗粒通常在各个第一纳米晶须的圆周方向上被均匀分布在周边上。
14.如权利要求9所述的方法，其中第二催化颗粒通常在各个第一纳米晶须的纵向上被均匀分布在每个第一纳米晶须的周边上。
15.如权利要求1所述的方法，其中第二纳米晶须的长度为生长时间的函数。
16.如权利要求1所述的方法，其中第二纳米晶须的长度为反应物浓度的函数。
17.如权利要求1所述的方法，其中第二纳米晶须的长度为生长温度的函数。
18.如权利要求1所述的方法，其中第二纳米晶须的长度被控制在±5％内。
19.如权利要求1所述的方法，其中在相对于衬底表面的所需取向上生长第一纳米晶须。
20.如权利要求19所述的方法，其中所需取向为相对于(111)衬底表面的<111>。
21.如权利要求19所述的方法，其中第二纳米晶须的取向由各个第一纳米晶须的晶体方向确定。
22.如权利要求21所述的方法，其中第二纳米晶须具有由各个第一纳米晶须的晶体方向确定的三个生长方向。
23.如权利要求21所述的方法，其中第二纳米晶须具有由各个第一纳米晶须的晶体方向确定的六个生长方向。
24.如权利要求21所述的方法，其中第二纳米晶须具有由各个第一纳米晶须的晶体方向确定的四个生长方向。
25.如权利要求21所述的方法，其中第二纳米晶须具有由各个第一纳米晶须的结晶小面确定的<111>取向。
26.如权利要求1所述的方法，其中第二纳米晶须和第一纳米晶须为不同的材料。
27.如权利要求1所述的方法，其中第一纳米晶须在其中形成了和各个第一纳米晶须的相邻部分不同材料的段，以便沿第一纳米晶须的长度形成异质结。
28.如权利要求1所述的方法，其中第二纳米晶须在其中形成了和各个第二纳米晶须的相邻部分不同材料的段，以便沿第二纳米晶须的长度形成异质结。
29.一种形成纳米结构的方法，包括：
第一阶段，其包括在衬底表面上提供至少一个第一催化颗粒，和经由每个所述第一催化颗粒通过VLS方法生长第一纳米晶须；和
n个后面的阶段，其中n为大于或等于2的整数，每个下面的阶段包括在前一阶段中生长的至少一个先前纳米晶须的周边上提供至少一个另外的催化颗粒，和从每个另外的催化颗粒通过VLS方法生长从各个先前纳米晶须的周边横向伸出的另外的纳米晶须。
30.如权利要求29所述的方法，其中，在每个后面的阶段中，都通过气溶胶沉积在先前纳米晶须上沉积另外的催化颗粒。
31.如权利要求29所述的方法，其中，在每个后面的阶段中，都施加电压到衬底上以促进通过静电沉淀在先前纳米晶须上沉积另外的催化颗粒。
32.如权利要求31所述的方法，其中按照每个先前纳米晶须上所需的另外催化颗粒的数目控制气溶胶沉积的密度。
33.如权利要求32所述的方法，其中每个先前纳米晶须上另外催化颗粒的数目同在±10％内。
34.如权利要求31所述的方法，其中另外的催化颗粒通常在先前纳米晶须的圆周方向上被均匀分布在每个先前纳米晶须的周边上。
35.如权利要求31所述的方法，其中另外的催化颗粒通常在先前纳米晶须的纵向上被均匀分布在每个先前纳米晶须的周边上。
36.如权利要求29所述的方法，其中另外的纳米晶须的长度为生长时间的函数。
37.如权利要求29所述的方法，其中另外的纳米晶须的长度为反应物浓度的函数。
38.如权利要求29所述的方法，其中另外的纳米晶须的长度为生长温度的函数。
39.如权利要求29所述的方法，其中另外的纳米晶须的长度被控制在±5％内。
40.如权利要求29所述的方法，其中另外的纳米晶须的取向由先前纳米晶须的晶体方向确定。
41.如权利要求29所述的方法，其中至少一个后面阶段的另外的纳米晶须和先前纳米晶须为不同的材料。
42.如权利要求29所述的方法，其中至少一个后面阶段的另外的纳米晶须在其中从各个另外的纳米晶须的相邻部分形成不同材料的段，以便沿另外的纳米晶须的长度形成异质结。
43.一种形成纳米结构的方法，包括：
第一阶段，其包括在衬底上提供至少一个第一催化颗粒，和经由每个所述第一催化颗粒形成第一一维纳米元件；和
第二阶段，其包括在至少一个所述第一一维纳米元件的周边上提供至少一个第二催化颗粒，和从每个所述第二催化颗粒形成从各个第一一维纳米元件的周边横向伸出的第二一维纳米元件。
44.如权利要求43所述的方法，还包括第三阶段，其包括在至少一个所述第二一维纳米元件的周边上提供至少一个第三催化颗粒，和从每个第三催化颗粒通过VLS方法生长从各个第二一维纳米元件的周边横向伸出的第三一维纳米元件。
45.如权利要求43所述的方法，其中通过纳米压印光刻方法在衬底上沉积大量所述第一催化颗粒。
46.如权利要求43所述的方法，其中通过气溶胶沉积在衬底上沉积大量所述第一催化颗粒。
47.如权利要求46所述的方法，其中控制沉积密度以控制所述大量中所述第一催化颗粒的数目。
48.如权利要求46所述的方法，其中气溶胶沉积中的所述大量第一催化颗粒具有均一尺寸。
49.如权利要求46所述的方法，其中气溶胶沉积中的所述大量第一催化颗粒带单一电荷。
50.如权利要求43所述的方法，其中施加电压到衬底上以促进通过静电沉淀在衬底上沉积第一催化颗粒。
51.如权利要求43所述的方法，其中第二催化颗粒通过气溶胶沉积被沉积在第一一维纳米元件上。
52.如权利要求51所述的方法，其中施加电压到衬底上以促进通过静电沉淀在第一一维纳米元件上沉积第二催化颗粒。
53.如权利要求51所述的方法，其中按照每个第一一维纳米元件上所需的第二催化颗粒数目控制气溶胶沉积的密度。
54.如权利要求53所述的方法，其中每个第一一维纳米元件上第二催化颗粒的数目同在±10％内。
55.如权利要求51所述的方法，其中每个第一一维纳米元件周边上的第二催化颗粒通常在各个第一一维纳米元件的圆周方向上被均匀分布在周边上。
56.如权利要求51所述的方法，其中第二催化颗粒通常在各个第一一维纳米元件的纵向上被均匀分布在每个第一一维纳米元件的周边上。
57.如权利要求43所述的方法，其中第二一维纳米元件和第一一维纳米元件为不同的材料。
58.如权利要求43所述的方法，其中第一一维纳米元件在其中从各个第一一维纳米元件的相邻部分形成不同材料的段，以便沿第一一维纳米元件的长度形成异质结。
59.如权利要求43所述的方法，其中第二一维纳米元件在其中从各个第二一维纳米元件的相邻部分形成不同材料的段，以便沿第二一维纳米元件的长度形成异质结。
60.一种纳米结构，包括在衬底上生长的第一纳米晶须，和在第一纳米晶须的周边上生长的在横切于第一纳米晶须的方向上伸出的至少一个第二纳米晶须。
61.如权利要求60所述的纳米结构，包括在各个第二纳米晶须的周边上生长的在横切于各个第二纳米晶须的方向上伸出的至少一个第三纳米晶须。
62.如权利要求60所述的纳米结构，包括在第一纳米晶须的周边上生长的大量第二纳米晶须，其通常在第一纳米晶须的圆周方向上均匀分布在第一纳米晶须的周边上。
63.如权利要求60所述的纳米结构，包括在第一纳米晶须的周边上生长的大量第二纳米晶须，其通常在纵向上均匀分布在第一纳米晶须的周边上。
64.如权利要求60所述的纳米结构，包括在第一纳米晶须的周边上生长的大量第二纳米晶须，其中第二纳米晶须的长度同在±5％内。
65.如权利要求60所述的纳米结构，其中每个所述第二纳米晶须具有由第一纳米晶须的晶体方向确定的取向。
66.如权利要求65所述的纳米结构，其中每个所述第二纳米晶须具有由第一纳米晶须的晶体方向确定的三个方向之一。
67.如权利要求65所述的纳米结构，其中每个所述第二纳米晶须具有由第一纳米晶须的晶体方向确定的六个方向之一。
68.如权利要求65所述的纳米结构，其中每个所述第二纳米晶须具有由第一纳米晶须的晶体方向确定的四个方向之一。
69.如权利要求65所述的纳米结构，其中每个所述第二纳米晶须具有由第一纳米晶须的结晶小面确定的<111>取向。
70.如权利要求60所述的纳米结构，其中每个所述第二纳米晶须为不同于所述第一材料的第二材料。
71.如权利要求60所述的纳米结构，其中第一纳米晶须在其中具有由和第一纳米晶须的相邻部分不同的材料形成的段，以便沿第一纳米晶须的长度形成异质结。
72.如权利要求60所述的纳米结构，其中每个所述第二纳米晶须在其中具有由和这种纳米晶须的相邻部分不同的材料形成的段，以便沿这种纳米晶须的长度形成异质结。
73.根据权利要求60的纳米结构，其中至少部分第一纳米晶须或每个第二纳米晶须由光敏材料形成。
74.一种结构，包括衬底和布置在衬底上的大量纳米结构，每个纳米结构包括在衬底上生长的第一纳米晶须和在第一纳米晶须的周边上生长并从其横向伸出的至少一个第二纳米晶须。
75.如权利要求74所述的结构，包括在所述第二纳米晶须的周边上生长并从其横向伸出的至少一个第三纳米晶须。
76.如权利要求74所述的结构，其中以有序阵列排列大量纳米结构。
77.如权利要求74所述的结构，其中第一纳米晶须具有均一的长度和直径。
78.如权利要求74所述的结构，其中第二纳米晶须具有均一的长度和直径。
79.如权利要求74所述的结构，其中每个第一纳米晶须上第二纳米晶须的数目同在±10％内。
80.如权利要求74所述的结构，其中各个第二纳米晶须通常在第一纳米晶须的圆周方向上均匀分布在每个第一纳米晶须的周边上。
81.如权利要求74所述的结构，其中各个第二纳米晶须通常在第一纳米晶须的纵向上均匀分布在每个第一纳米晶须的周边上。
82.如权利要求74所述的结构，其中第二纳米晶须的长度同在±5％内。
83.如权利要求74所述的结构，其中第二纳米晶须的取向由第一纳米晶须的晶体方向确定。
84.如权利要求83所述的结构，其中每个所述第二纳米晶须具有由其各自的第一纳米晶须的晶体方向确定的三个生长方向之一。
85.如权利要求83所述的纳米结构，其中每个所述第二纳米晶须具有由其各自的第一纳米晶须的晶体方向确定的六个生长方向之一。
86.如权利要求83所述的纳米结构，其中每个所述第二纳米晶须具有由其各自的第一纳米晶须的晶体方向确定的四个生长方向之一。
87.如权利要求83所述的纳米结构，其中每个所述第二纳米晶须具有由其各自的第一纳米晶须的结晶小面确定的<111>取向。
88.如权利要求74所述的结构，其中第一纳米晶须和第二纳米晶须为不同的材料。
89.如权利要求74所述的结构，其中第一纳米晶须具有在其中由和各个第一纳米晶须的相邻部分不同的材料形成的段，以便沿第一纳米晶须的长度形成异质结。
90.如权利要求74所述的结构，其中第二纳米晶须具有在其中由和各个第二纳米晶须的相邻部分不同的材料形成的段，以便沿第二纳米晶须的长度形成异质结。
91.如权利要求74所述的结构，其中在所述第一和第二纳米晶须的自由端处布置导电催化颗粒，并包括被安排在所述导电催化颗粒和衬底之间施加电压的接触结构，所述第一和第二纳米晶须与接触结构电绝缘。
92.如权利要求91所述的结构，其中每个纳米晶须被电绝缘套包围，在绝缘套周围形成透明导电材料以便与催化颗粒电接触。
93.如权利要求92所述的结构，其中所述套为氧化铝。
94.如权利要求91所述的结构，其中第一和第二纳米晶须包含对应于不同入射光波长的不同材料区域。
95.一种发光面板结构，包括：
衬底；
布置在衬底上的大量纳米结构，大量纳米结构中的每一个都包括在衬底上生长的第一纳米晶须、在第一纳米晶须的周边上生长并从其横向伸出的至少一个第二纳米晶须，和布置在第一和第二纳米晶须的自由端处的导电催化颗粒；和
被安排在导电催化颗粒和衬底之间以施加电压的接触结构，
第一和第二纳米晶须与接触结构电绝缘，大量纳米结构的选定纳米晶须在其中具有旋光材料形成的段以便形成发光二极管。
96.一种神经网络结构，包括：
衬底；和
布置在衬底上的大量纳米结构，大量纳米结构中的每一个都包括在衬底上生长的第一纳米晶须、在第一纳米晶须的周边上生长并从其横向伸出的至少一个第二纳米晶须，
其中第一纳米晶须被充分紧密地定位到一起，第二纳米晶须生长足够长至在相邻纳米结构的纳米晶须之间形成电触点。
97.如权利要求96所述的神经网络结构，其中每个第二纳米晶须在其中具有由具有和各个第二纳米晶须的相邻部分不同带隙的材料形成的段，以至于在每个第二纳米晶须内形成隧道势垒。
98.如权利要求96所述的神经网络结构，其中至少部分第二纳米晶须与相邻纳米结构的各个第一纳米晶须形成电接触。
99.一种纳米结构，包括在衬底上生长的第一一维纳米元件、在第一一维纳米元件的周边上生长并从其横向伸出的第二一维纳米元件。
100.一种形成纳米结构的方法，包括在衬底上生长第一纳米晶须，和从第一纳米晶须的周边生长第二纳米晶须，使得第二纳米晶须横切于第一纳米晶须伸出。
101.如权利要求100所述的形成纳米结构的方法，还包括从第二纳米晶须的周边生长第三纳米晶须，使得第三纳米晶须横切于第二纳米晶须伸出。
102.一种形成纳米结构的方法，包括在衬底上生长第一一维纳米元件，和从第一一维纳米元件的周边生长第二一维纳米元件，使得第二一维纳米元件横切于第一一维纳米元件伸出。
103.如权利要求102所述的形成纳米结构的方法，还包括从第二一维纳米元件的周边生长第三一维纳米元件，使得第三一维纳米元件横切于第二一维纳米元件伸出。
104.一种纳米结构，包括第一纳米晶须、从第一纳米晶须的周边上生长并从其横向伸出的第二纳米晶须，和从第二纳米晶须的周边上生长并从其横向伸出的第三纳米晶须。
105.一种纳米结构，包括第一一维纳米元件、从第一一维纳米元件的周边上生长并从其横向伸出的第二一维纳米元件，和从第二一维纳米元件的周边上生长并从其横向伸出的第三一维纳米元件。
106.一种结构，包括衬底和布置在衬底上的大量纳米结构，每个纳米结构包括在衬底上生长的第一一维纳米元件和在第一一维纳米元件的周边上生长并从其横向伸出的至少一个第二一维纳米元件。
107.如权利要求106所述的结构，其中大量纳米结构的至少一个包括从各自的第二一维纳米元件的周边上生长并从其横向伸出的第三一维纳米元件。
108.一种结构，包括衬底和布置在衬底上的大量纳米结构，每个纳米结构包括在衬底上生长的各自的第一一维纳米元件，和至少一个所述纳米结构具有接触另一个所述纳米结构的部分，其中所述一个纳米结构的部分包括在所述一个纳米结构的第一一维纳米元件的周边上生长并从其横向伸出的第二一维纳米元件。
109.如权利要求108所述的结构，其中所述一个纳米结构的第二一维纳米元件接触所述另一个纳米结构的第一一维纳米元件。
110.一种结构，包括衬底和布置在衬底上的大量纳米结构，每个纳米结构包括在衬底上生长的各自的第一纳米晶须，和至少一个所述纳米结构具有接触另一个所述纳米结构的部分，其中所述一个纳米结构的部分包括在所述一个纳米结构的第一纳米晶须的周边上生长并从其横向伸出的第二纳米晶须。
111.如权利要求110所述的结构，其中所述一个纳米结构的第二纳米晶须接触所述另一个纳米结构的第一纳米晶须。
112.一种形成大量纳米结构的方法，包括：
对于衬底上所述大量纳米结构的每一个生长各自的第一一维纳米元件；和
在至少一个所述纳米结构的第一一维纳米元件上形成接触另一个所述纳米结构的部分，
其中所述一个纳米结构的部分包括在所述一个纳米结构的第一一维纳米元件上生长并从其横向伸出的第二一维纳米元件。
113.如权利要求112所述的方法，其中所述一个纳米结构的第二一维纳米元件生长至接触所述另一个纳米结构的第一一维纳米元件。
114.一种形成大量纳米结构的方法，包括：
对于衬底上所述大量纳米结构的每一个生长各自的第一纳米晶须；和
在至少一个所述纳米结构的第一纳米晶须上形成接触另一个所述纳米结构的部分，
其中所述一个纳米结构的部分包括在所述一个纳米结构的第一纳米晶须上生长并从其横向伸出的第二纳米晶须。
115.如权利要求114所述的方法，其中所述一个纳米结构的第二纳米晶须生长至接触所述另一个纳米结构的第一纳米晶须。
116.一种形成纳米结构的方法，包括：
生长第一纳米晶须预定的时间段；和
在预定的时间段结束后，在第一纳米晶须的周边上提供催化颗粒，和从催化颗粒通过VLS方法生长从第一催化颗粒的周边横向伸出的第二纳米晶须。
117.一种形成纳米结构的方法，包括：
提供第一纳米晶须到颗粒沉积装置；
利用颗粒沉积装置在第一纳米晶须的周边上沉积至少一个催化颗粒；
从颗粒沉积装置中取出其上具有催化颗粒的第一纳米晶须；和
从催化颗粒通过VLS方法生长从第一纳米晶须的周边横向伸出的第二纳米晶须。
118.一种形成纳米结构的方法，所述方法包括大量不连续的操作，包括通过VLS方法生长第一纳米晶须的第一操作，和通过VLS方法在第一纳米晶须的周边上生长第二纳米晶须以至于其从第一纳米晶的周边横向伸出的第二操作。
119.一种太阳能电池阵列，包括：
衬底；
布置在衬底上的大量纳米结构，大量纳米结构中的每一个都包括在衬底上生长的第一纳米晶须、在第一纳米晶须的周边上生长并从其横向伸出的至少一个第二纳米晶须，和布置在第一和第二纳米晶须的自由端处的导电催化颗粒；和
被安排在导电催化颗粒和衬底之间施加电压的接触结构，
第一和第二纳米晶须与接触结构电绝缘。
120.如权利要求119所述的太阳能电池阵列，其中每个纳米晶须被电绝缘套包围，在绝缘套周围形成透明导电材料以便与催化颗粒电接触。
121.如权利要求120所述的太阳能电池阵列，其中所述套为氧化铝。
122.如权利要求119所述的太阳能电池阵列，其中第一和第二纳米晶须包含对应于不同入射光波长的不同材料区域。
123.如权利要求119所述的太阳能电池阵列，其中在各个纳米结构的第一和第二纳米晶须的至少一个内形成PN结。
124.如权利要求119所述的太阳能电池阵列，其中在各个纳米结构内的第一和第二纳米晶须之间形成PN结。
125.一种形成纳米结构的方法，包括：
在第一纳米晶须的周边上生长第二纳米晶须使得第二纳米晶须从第一纳米晶须的周边横向伸出；和
在第二纳米晶须的周边上生长第三纳米晶须使得第三纳米晶须从第二纳米晶须的周边横向伸出。
126.一种形成纳米结构的方法，包括：
在第一一维纳米元件的周边上生长第二一维纳米元件使得第二一维纳米元件从第一一维纳米元件的周边横向伸出；和
在第二一维纳米元件的周边上生长第三一维纳米元件使得第三一维纳米元件从第二一维纳米元件的周边横向伸出。
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