在先进半导体器件向更小尺寸、更高性能演进的进程中，一维纳米材料—尤其是锗纳米线（GeNWs）—因其高载流子迁移率、更宽的光电响应、强量子限域效应以及与现有Si基CMOS工艺的高度兼容性，被视为下一代高性能电子、光电子和柔性传感器件的理想构建单元。
然而，长期以来，如何在低温下实现长而均匀、取向可控的平面GeNWs，一直是领域内的一大瓶颈。传统气-液-固（VLS）法虽能生长高质量GeNWs，但产物多为垂直结构，难以直接集成到平面芯片架构中；而近年来兴起的面内固-液-固（IPSLS）机制虽有望解决这一难题，却因Ge在金属催化剂（如铟（In））中溶解度过高，导致催化液滴迅速与非晶锗（a-Ge）前驱层互溶、塌陷，仅能获得微米级以下、形貌不规则的短纳米线。
近日，南京大学电子科学与工程学院余林蔚、王军转教授团队首次在仅200℃的低温条件下，实现了长度超10 µm、直径约30 nm的单晶平面GeNWs的稳定、定向生长，为Ge基纳米器件的规模化集成开辟了全新路径。
关键突破：从“失控互溶”到“精准引导”
研究团队深入剖析了IPSLS机制中Ge原子在In液滴内的输运动力学，发现控制Ge原子的吸收速率是稳定液滴-前驱体界面的核心。通过系统调控两大关键参数：1）大幅降低生长温度至200℃：使Ge在In中的溶解度从350℃时的2.4 at.%骤降至0.01–0.1 at.%，接近Si在In中的水平；2）精确匹配a-Ge：采用仅5 nm厚的超薄前驱层，避免过量Ge源引发液滴过度铺展。两者协同作用，成功抑制了液滴塌陷，实现了定位引导的稳定生长模式。所获GeNW长度突破10 μm，展现出优异的单晶特性和无应变晶格结构。
图1.基于IPSLS机制200℃生长GeNW
图2. GeNW晶体结构
机理揭示：建立动态平衡模型
团队进一步构建了包含吸收速率（𝒱abs）的完整热力学-动力学模型，阐明了低温下各过程速率的再平衡机制。研究发现，当液滴高度满足 = γ·ha-Ge（γ为几何因子）时，系统达到稳态生长条件。一旦液滴因In损耗或界面张力失衡偏离该条件，即会进入亚稳态乃至塌陷，这也解释了纳米线尾端异常增宽的现象。
图3. GeNW的引导生长
图4.GeNW的生长动力学
应用前景广阔
该工作不仅攻克了高溶解度材料体系在IPSLS机制下的生长难题，更将该范式成功拓展至Ge这一关键半导体。200℃的超低生长温度，使得该技术天然兼容玻璃、聚酰亚胺（PI）等柔性或透明衬底，为柔性薄膜晶体管（TFT）、可穿戴传感器等应用奠定基础。相比SiNW，GeNW兼具更高的空穴迁移率和优异的近红外吸收能力，为未来高性能红外光电子、低功耗逻辑器件及量子传感系统提供了可集成的Ge基纳米平台，有望在先进半导体纳米制造领域取得新的突破！
该工作近期以“Stable, Step-Guided Growth of Planar Germanium Nanowires at 200 °C via the In-Plane Solid-Liquid-Solid Mechanism”为题发表《Advanced Science》期刊上。南京大学电子科学与工程学院的博士生安钧洋为文章第一作者，余林蔚教授和王军转教授为文章共同通讯作者。该工作的开展得到了南京大学陈坤基教授、徐骏教授、施毅教授支持和指导，受到国家重点研发计划、国家自然科学基金杰出青年学者项目以及国家自然科学基金重点项目的资助。
论文信息：
Junyang An, Zhiyan Hu, Shiqian Hu, Xiaopan Song, Junzhuan Wang*, Linwei Yu*
Stable, Step-Guided Growth of Planar Germanium Nanowires at 200 °C via the In-Plane Solid-Liquid-Solid Mechanism
https://doi.org/10.1002/advs.202514875