宏观块材GaN是第三代半导体的杰出代表，是现代固态照明（LED）和高功率电子器件的基石。

• 宽直接带隙半导体: GaN拥有~3.4 eV的直接带隙，使其成为高效的蓝光和紫外光发射材料，这是其获得2014年诺贝尔物理学奖的核心原因。
• 极高的化学与热稳定性: GaN具有极强的化学键，使其非常稳定，能够耐受高温、强酸/强碱腐蚀和高强度辐射。
• 优异的电子学特性: GaN具有很高的击穿电场和电子饱和漂移速率，是制造高功率、高频率电子器件的理想材料。

当GaN以一维纳米线的形态存在时，其由高晶体质量和一维结构主导的纳米效应，使其性能远超传统的薄膜材料。

• 近乎完美的晶体质量: 通过VLS等方法生长的GaN纳米线，其内部的位错等晶体缺陷密度极低，远低于异质外延生长的GaN薄膜。这种高晶体质量极大地提高了其载流子迁移率和内部量子效率。
• 应力弛豫与无缺陷异质结: 一维的纳米线结构可以有效地弛豫由于晶格失配和热失配引起的应力。这使得我们可以在GaN纳米线上高质量地外延生长其它氮化物半导体（如InGaN, AlGaN），构建出缺陷密度极低的核-壳或轴向异质结，这是制造高性能纳米级LED和激光器的关键。
• 增强的光提取效率: 垂直生长的GaN纳米线阵列可以有效地抑制全内反射，并充当波导，极大地提高了LED的光提取效率。

与ZnO等难以实现p型掺杂的材料不同，GaN拥有成熟、可靠的p型和n型掺杂技术，这是其能够主导光电子学领域的决定性优势。

目标: 通过引入施主杂质，增加纳米线中的自由电子浓度。

• 硅（Si）: 硅是GaN中最常用、最有效的n型掺杂剂。通过在MOCVD或MBE生长过程中，向气相前驱物中引入硅烷（SiH₄），即可实现原位的n型掺杂。Si原子会取代晶格中的镓（Ga）。

目标: 通过引入受主杂质，增加纳米线中的空穴浓度。

• 镁（Mg）: 镁是GaN中唯一实用的p型掺杂剂。通过引入二茂镁（Cp₂Mg）等前驱体，即可实现原位的p型掺杂。Mg原子会取代晶格中的镓（Ga）。
• 活化挑战: 掺入的Mg受主具有较高的活化能，且容易与生长过程中产生的氢形成钝化的Mg-H复合物。因此，通常需要在生长后进行一步热退火来去除氢，以“活化”p型掺杂。

通过在纳米线的生长过程中精确地切换掺杂气体，可以在同一根纳米线上沿轴向或径向（核-壳）构建出高质量的p-n结。这是制造纳米级发光二极管（Nano-LEDs）、激光器、晶体管和光电探测器的基础。

氮化镓纳米线（GaN NWs）由于其无与伦比的化学稳定性和合适的能带位置，在光催化领域是一种极具潜力的下一代材料。

这是GaN NWs在催化领域最前沿、最有潜力的应用。

• 原理: 在紫外光照射下，GaN产生高活性的电子-空穴对 (e⁻-h⁺)。
• 能带位置优势: GaN的导带底位置比水的还原电位（H⁺/H₂）更负，而其价带顶位置比水的氧化电位（O₂/H₂O）更正。这意味着，在热力学上，GaN的光生电子和空穴同时具有将水还原为氢气和将水氧化为氧气的能力。
• 应用: 通过在其表面修饰合适的产氢（如Pt, Rh）和产氧（如CoOₓ）助催化剂，单根GaN纳米线有望在没有任何外加偏压和牺牲剂的情况下，实现光催化全解水，将太阳能直接转化为清洁的氢能。
• 超强稳定性: GaN极高的化学惰性，使其可以在强酸或强碱等苛刻的电解液中长期稳定地工作，这是其它大多数半导体光催化剂（如CdS, ZnO）无法比拟的优势。

氮化镓纳米线（GaN NWs）凭借其优异的化学稳定性、生物相容性和半导体特性，在生物传感领域是一种极具潜力的平台材料。

这是GaN NWs在生物传感领域最有优势的应用。

• 原理: 将一根单晶氮化镓纳米线作为导电沟道，构建成一个场效应晶体管器件。当带电的生物分子（如DNA、蛋白质）吸附到其表面时，会像一个“顶栅”一样，通过场效应极大地改变纳米线沟道内的载流子浓度，从而导致其电导率发生急剧、可测量的变化。
• 核心优势:
  • 超高化学稳定性: GaN NWs可以在复杂的生理体液（如血液、尿液）中长期稳定工作，不会像硅纳米线那样被腐蚀或降解，是构建长期植入式生物传感器的理想材料。
  • 高灵敏度: GaN NWs极高的表面积/体积比，使其电导率对表面发生的任何电荷变化都极其敏感。

氮化镓纳米线（GaN NWs）在生物医学治疗领域的应用尚处于探索阶段，主要利用其独特的压电特性和作为药物载体的潜力。

• 压电细胞刺激: GaN是一种强压电材料。研究表明，可以通过超声波等非接触方式，远程驱动细胞内或细胞表面的GaN纳米线发生机械振动，从而产生局部的压电电势。这种电信号可以用来刺激电活性细胞（如神经元、心肌细胞），或调控细胞的其它生理活动（如离子通道的开关），是一种全新的无线神经调控和细胞治疗策略。

GaN NWs的高比表面积和表面化学使其可以作为一种多功能的药物递送平台。

• 高载药量: GaN NWs巨大的外表面，使其能够通过共价键或非共价作用，高效负载化疗药物。

氮化镓（GaN）作为一种化学性质极其稳定的材料，普遍被认为具有优异的生物相容性和极低的毒性。

• 极高的化学惰性: GaN的化学键极强，在生理环境中几乎不溶解，不会释放出有毒的金属离子。大量的体外细胞实验和体内动物实验均表明，GaN纳米线表现出非常低的细胞毒性和组织炎症反应。
• 生物持久性 (Non-biodegradable): GaN在体内是不可生物降解的。这意味着一旦进入体内，如果不能被有效清除，它们可能会永久存留。

• 类石棉效应: 与其它高长径比纳米材料类似，如果GaN NWs的长度足够长（> 15-20 μm）、刚性足够强，它们可能会在被吸入肺部后，因无法被巨噬细胞完全吞噬而引发持续的、慢性的炎症反应。因此，在生物医学应用中，通常需要精确控制其长度。

高质量、单晶的氮化镓纳米线的合成，几乎完全依赖于在高温、高真空下进行的气相外延方法。

这是制备高质量、单晶GaN NWs最经典、最可控的方法，通常在金属有机化学气相沉积（MOCVD）或分子束外延（MBE）等设备中进行。

• 原理:
  1. 催化剂准备: 首先在基底（如硅片、蓝宝石）上分散一层金属催化剂纳米颗粒（最常用的是金Au, 镍Ni）。
  2. 形成合金液滴: 在高温（通常~750-950 °C）下，将金属有机的镓前驱物（如三甲基镓, TMGa）和氮前驱物（如氨气, NH₃）引入反应室。这些前驱物会在催化剂颗粒表面分解，并与金属形成低共熔点的合金液滴。
  3. 过饱和与析出: 随着Ga和N原子不断地溶入液滴，液滴中的GaN浓度逐渐达到过饱和状态。
  4. 一维生长: 一旦过饱和，单晶GaN就会从液滴与基底的界面处析出，并将液滴顶起。这个过程持续进行，液滴就像一个“帽子”一样，引领着GaN纳米线不断地向上“生长”，形成一维结构。
• 优势: VLS法可以生长出结晶质量极高、缺陷密度低、直径均一（由催化剂颗粒大小决定）、且可实现原位掺杂的单晶纳米线，是制备高性能纳米电子和光电子器件的基础。

对氮化镓纳米线（GaN NWs）的精确表征是评估其能否用于电子学和光电子学应用的关键。对其电学和光学性质的表征尤为重要。

• 形貌与尺寸: 扫描电子显微镜 (SEM) 是表征GaN NWs宏观形貌、长度分布、直径分布和阵列排列情况最常用的工具。
• 晶体结构与生长方向: 透射电子显微镜 (TEM)，特别是高分辨透射电子显微镜 (HRTEM) 和选区电子衍射 (SAED)，是鉴定单根纳米线结晶质量的核心技术。可以确定其是否为单晶、鉴定其为纤锌矿结构，并精确判断其晶体生长方向。

• 光致发光光谱 (PL): 这是表征GaN NWs光学质量的核心技术。高质量的GaN NWs应在~365 nm处有一个极其尖锐、强烈的带边发射峰，而代表缺陷的黄光发射带（~550 nm）应该非常弱或不存在。
• 场效应晶体管（FET）性能: 通过微纳加工技术，将单根GaN NWs构建成一个FET器件，通过测量其转移特性曲线和输出特性曲线，可以精确地得到其开关比、载流子迁移率、阈值电压等核心电学参数。

氮化镓纳米线的表面工程是其实现所有高性能电子和光电子学应用的决定性步骤。其核心任务是钝化其表面态，以消除导致性能衰减的非辐射复合中心和载流子陷阱。

这是获得高性能GaN NWs器件的“金标准”策略。

• 原理: 在GaN纳米线（核）的表面，通过MOCVD或MBE等技术，原位外延生长一层化学性质稳定、晶格匹配的宽带隙半导体（壳）。
• 典型策略:
  • GaN@AlGaN/AlN 核-壳结构: 这是最经典的钝化策略。氮化铝（AlN）和氮化铝镓（AlGaN）具有比GaN更宽的带隙，且与GaN的晶格匹配度极高。在其表面包覆一层AlN或AlGaN壳，可以：
    1. 完美地钝化GaN核表面的缺陷和悬挂键。
    2. 形成一个量子阱结构，将电子和空穴牢固地束缚在GaN核内部，极大地提高其辐射复合效率（发光强度）和载流子迁移率。

这是将GaN NWs与生物系统连接，实现生物传感的关键。

• 硅烷化学: GaN NWs表面会天然形成一层极薄的氧化镓（Ga₂O₃），使其表面富含羟基（-OH）。利用这些羟基，可以通过经典的硅烷化学引入氨基等官能团，再通过EDC/NHS化学等偶联反应，将抗体、DNA探针等生物识别分子共价地连接到GaN NWs表面。