宏观块材GaAs是继硅之后最重要的半导体材料之一，在光电子学和高频电子学领域占据主导地位。

• 直接带隙半导体: GaAs拥有~1.42 eV的直接带隙，使其成为一种极其高效的发光和光吸收材料，是制造红外发光二极管（LEDs）、激光器和高效率太阳能电池的核心材料。
• 极高的电子迁移率: 块材GaAs的电子迁移率（~8,500 cm²/Vs）远高于硅，是制造高频、高速晶体管（如手机中的射频功放）的理想材料。

当GaAs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，使其性能有望超越传统的薄膜材料。

• 近乎完美的晶体质量: 通过VLS等方法生长的GaAs纳米线，其内部的位错等晶体缺陷密度极低，远低于在硅等异质基底上生长的GaAs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引起的应力。这使得我们可以在GaAs纳米线上高质量地外延生长其它III-V族半导体（如AlGaAs, InGaAs），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激光器和晶体管的关键。
• 增强的光吸收与陷光效应: 垂直生长的GaAs纳米线阵列可以极大地减少表面反射，形成“陷光”效应，从而显著提高对太阳光的吸收效率，是构建高效、低成本太阳能电池的理想结构。

作为一种经典的半导体材料，对GaAs纳米线进行元素掺杂是调控其电学性质、构筑电子器件的核心手段。

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GaAs中最常用的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）。
• 碲（Te）: 碲是一种深能级施主，也可用于n型掺杂，它会取代晶格中的砷（As）。

目标: 通过引入受主杂质，增加纳米线中的空穴浓度。

• 锌（Zn）/ 铍（Be）: 锌和铍是GaAs中最常用的p型掺杂剂。通过引入二乙基锌（DEZn）等前驱体，即可实现原位的p型掺杂。它们会取代晶格中的镓（Ga）。

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。这是制造纳米级红外LED、激光器、单光子源、场效应晶体管（FETs）和太阳能电池的基础。

砷化镓纳米线（GaAs NWs）由于其优异的光电性质，在光催化和光电催化领域是一种极具潜力的下一代材料。

这是GaAs NWs在催化领域最前沿、最有潜力的应用。

• 原理: 在可见光照射下，GaAs产生高活性的电子-空穴对 (e⁻-h⁺)。
• 能带位置优势: GaAs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，GaAs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和产氧助催化剂，单根GaAs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。
• 挑战: GaAs在水溶液中存在严重的光腐蚀问题，这是其催化应用面临的最大挑战。通过包覆稳定的核-壳结构是解决该问题的关键。

砷化镓纳米线（GaAs NWs）凭借其优异的电学性质和表面化学，在生物传感领域是一种极具潜力的平台材料。

这是GaAs NWs在生物传感领域最有优势的应用。

• 原理: 将一根单晶砷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:
  • 高灵敏度: GaAs NWs极高的电子迁移率和表面积/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，理论上可以实现单分子级别的检测。

砷化镓纳米线（GaAs NWs）因其在近红外区的强吸收，在光热治疗领域展现出了一定的应用潜力。

这是一种利用光热转换剂将光能转化为热能，通过局部高温来烧蚀癌细胞的治疗方法。

• 原理:
  1. 将表面经过PEG化和靶向修饰的GaAs NWs通过静脉注射，使其在肿瘤部位富集。
  2. 使用近红外激光照射肿瘤区域。
  3. 肿瘤内的GaAs NWs吸收光能并高效地将其转化为热量，使肿瘤局部温度快速升高至42°C以上，从而选择性地烧蚀癌细胞。
• 优势: GaAs NWs是一种不含贵金属的、高效的半导体光热治疗剂。

砷化镓纳米线（GaAs NWs）的固有毒性是其生物医学应用中最大的障碍和挑战。

• 核心毒性机制: GaAs NWs对哺乳动物细胞的毒性，主要来自于其在生理环境中降解并释放出的镓离子（Ga³⁺）和砷离子（As³⁺/As⁵⁺）。
  • 砷离子: 是一种剧毒的类金属离子，已被IARC列为1类致癌物。
  • 镓离子: 过高浓度的镓离子也具有显著的细胞毒性。

• 类石棉效应: 与其它高长径比纳米材料类似，如果GaAs NWs的长度足够长、刚性足够强且生物持久性足够高，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。

通过表面工程，在GaAs纳米线（核）表面包覆一层致密的、化学性质更稳定的宽带隙半导体（壳），是隔绝其与生物环境接触、阻止离子释放、从而降低其毒性的最核心、最有效的策略。

高质量、单晶的砷化镓纳米线的合成，几乎完全依赖于一种在高温、超高真空下进行的催化生长方法——气-液-固生长法（VLS）。

这是制备高质量、单晶GaAs 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（通常是GaAs或Si）上分散一层金属催化剂纳米颗粒（最常用的是金Au）。
  2. 形成合金液滴: 在高温下，将金属有机的镓前驱物（如三甲基镓, TMGa或三乙基镓, TEGa）和砷前驱物（如胂气, AsH₃）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Au-Ga-As合金液滴。
  3. 过饱和与析出: 随着Ga和As原子不断地溶入液滴，液滴中的GaAs浓度逐渐达到过饱和状态。
  4. 一维生长: 一旦过饱和，单晶GaAs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GaAs纳米线不断地向上“生长”，形成一维结构。
• 晶相控制: 通过精确地控制生长温度和V/III族前驱物比例，可以选择性地获得立方闪锌矿（Zincblende）或六方纤锌矿（Wurtzite）相的GaAs纳米线，甚至可以在同一根纳米线上构建两种晶相的异质结。

对砷化镓纳米线（GaAs 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GaAs 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、鉴定其晶相（闪锌矿或纤锌矿），并精确判断其晶体生长方向。

• 光致发光光谱 (PL): 这是表征GaAs NWs光学质量的核心技术。高质量的GaAs NWs应在~870 nm处有一个极其尖锐、强烈的带边发射峰。
• 场效应晶体管（FET）性能: 通过微纳加工技术，将单根GaAs 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。

砷化镓纳米线的表面工程是其实现所有电子学和光电子学应用的决定性步骤。其核心任务是钝化其极不稳定的表面，以消除导致性能严重衰减的表面态。

这是获得高性能GaAs NWs器件的关键。

• 原理: GaAs的表面在空气中会自发地形成一层成分复杂、质量低劣的非晶氧化物层（GaₓOᵧ, AsₓOᵧ）。这层氧化物会在带隙中引入大量的表面态，它们是极强的非辐射复合中心和载流子陷阱，会严重猝灭其发光，并“钉扎”住费米能级，使得栅极无法有效调控其电导。
• 核-壳结构: 解决该问题的唯一有效方法，是在GaAs纳米线（核）的表面，通过MOCVD或MBE等超高真空技术，原位外延生长一层化学性质更稳定、晶格匹配的宽带隙半导体（壳）。
  • GaAs@AlGaAs/InGaP 核-壳结构: 这是最经典的钝化策略。氮化铝镓（AlGaAs）和磷化铟镓（InGaP）具有比GaAs更宽的带隙，且与GaAs的晶格匹配度极高。在其表面包覆一层AlGaAs或InGaP壳，可以：
    1. 完美地钝化GaAs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GaAs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。