Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Ontwikkeling van de zijfacetten van verticale [100] georiënteerde InP-nanodraden voor nieuwe radiale heterostructuren

Abstract

Naast het feit dat ze worden gekweekt op industriestandaardoriëntatie, presenteren verticale [100] georiënteerde nanodraden nieuwe families van facetten en gerelateerde dwarsdoorsnedevormen. Deze nanodraden zijn ontworpen om een ​​aantal facetcombinaties en dwarsdoorsnedevormen te bereiken, door hun groeiparameters te variëren binnen bereiken die verticale groei vergemakkelijken. In situ post-growth annealing techniek wordt gebruikt om andere combinaties te realiseren die alleen onbereikbaar zijn met behulp van groeiparameters. Twee voorbeelden van mogelijke nieuwe radiale heterostructuren die op deze verticale [100] georiënteerde nanodraadfacetten zijn gegroeid, worden gepresenteerd, wat hun potentieel in toekomstige toepassingen demonstreert.

Inleiding

Groot oppervlak is een van de belangrijkste voordelen van nanodraden in vergelijking met conventionele dunne films. Dit vergroot het belang van de nanodraad-zijfacetten die die oppervlakken vormen enorm. Zijfacetten van nanodraad spelen een belangrijke rol bij het beheersen van hun morfologische, structurele, elektrische, thermische en optische eigenschappen [1,2,3,4,5]. Radiale nanodraad heterostructuren zijn direct gekoppeld aan facetten waarop ze zijn gegroeid. Uniforme zijfacetten van nanodraad zoals {0-11} leveren meestal uniforme radiale heterostructuren op in [111] georiënteerde nanodraden [6, 7]. Aan de andere kant kan groei op facetten die niet-uniform zijn, hetzij in termen van kristalvlak, polariteit of afmetingen, worden gebruikt om complexe radiale structuren te creëren zoals nanoholtes, kwantumputten met nieuwe geometrieën, gekoppelde superrooster-nanobuizen en kwantumdraden [8] ,9,10,11,12,13,14]. Verschillende recombinatiesnelheden van het oppervlak en ruwheden op nanoschaal van verschillende facettypes beïnvloeden recombinatie van dragers en fonontransport in nanodraden [3, 15, 16]. De vorm van de dwarsdoorsnede van de nanodraad, die wordt bepaald door het type facetten en hun relatieve afmetingen, is belangrijk in toepassingen waarbij de nanodraad wordt gebruikt als een optische holte, omdat deze van invloed kan zijn op de typen en het aantal modi die zijn beperkt [17, 18,19]. Bovendien kunnen facetten van nanodraden worden gebruikt als alternatieve sjablonen voor substraten met patronen om kwantumdraden en putten te laten groeien, waardoor complexe verwerking en patroonvorming overbodig wordt.

Non-nitride III-V-nanodraden worden over het algemeen gekweekt op (111) oppervlakken, vanwege het gemak waarmee verticale [111] georiënteerde nanodraden kunnen worden bereikt. In het geval van InP levert groei op (111) substraten gewoonlijk wurtziet (WZ) fase-nanodraden of zinkblende (ZB) dubbele superroosters op [20, 21], met resulterende facetprofielen bestaande uit {1-100}, {11-20 } of {111} typefacetten. Vormen in dwarsdoorsnede hebben meestal een zeshoekige of afgeknotte driehoekige vorm. Verandering van groeioriëntatie kan worden gebruikt als een belangrijke methode om onconventionele combinaties van zijfacetten en dwarsdoorsnedevormen aan te tonen [22, 23]. Naast het feit dat ze worden gekweekt op de industriestandaard substraatoriëntatie en dat ze defectvrij zijn ZB [24, 25], openen <100> nanodraden een volledig nieuwe familie van beschikbare facetten, hun combinaties en resulterende dwarsdoorsnedevormen, zoals vierkante en achthoekige vormen, die moeilijk te verkrijgen zijn in nanodraden die in andere oriëntaties zijn gekweekt [22,23,24]. Deze facetten en hun combinaties die tot nu toe niet goed zijn bestudeerd, kunnen veel mogelijkheden bieden op het gebied van toepassingen van nanodraadfacetten die hierboven zijn besproken.

In dit werk zijn de facetten van de [100]-georiënteerde InP-nanodraden ontworpen om verschillende soorten facetten en verschillende gradaties van hun combinaties te bereiken, waardoor een aantal resulterende dwarsdoorsnedevormen worden gerealiseerd. De nieuwe dwarsdoorsnedevormen omvatten vierkant, rechthoek, langwerpige zeshoek, langwerpige achthoek en perfecte achthoek. Alle besproken combinaties worden gedemonstreerd met behoud van een hoge opbrengst van verticale [100] nanodraadgroei, met behulp van de technieken die zijn besproken in [24] en [26], wat hun vermogen om te worden gebruikt in toepassingen verbetert. Eerst worden de effecten van groeiomstandigheden op de resulterende facetten besproken om inzicht te krijgen in hun relatieve vorming. Vervolgens wordt post-growth in situ annealing van de nanodraden gebruikt als een techniek om nieuwe combinaties van facetten te bereiken die niet haalbaar zijn door simpelweg groeiparameters af te stemmen die worden beperkt door de strenge eisen voor de verticale [100] nanodraadgroei. Het begrip van de relatie tussen de relatieve groei van facetten en respectievelijke groeiomstandigheden wordt gebruikt om selectieve groei alleen op enkele van de nanodraadfacetten te bereiken en zo vierzijdige, gepartitioneerde nanodraad radiale heterostructuren te vormen.

Methoden

Nanodraden werden gekweekt met behulp van een horizontale stroom metaal-organische dampfase-epitaxie (MOVPE) reactor met een totale stroomsnelheid van 15 slm, met behulp van TMIn en PH3 als voorlopers. Er werden twee afzonderlijke pre-groeicondities gebruikt waarvan eerder is gemeld dat ze een hoog percentage [100] verticale nanodraden op [100] georiënteerde InP-substraten opleveren [24, 26] (hier wordt de verticale opbrengst gedefinieerd als het percentage katalysatordeeltjes in een monstergebied dat resulteert in [100] verticale nanodraden). De colloïdale Au-deeltjes werden met behulp van een poly-L-lysinelaag op de substraten afgezet. Bij de eerste methode (voorgroeiconditie 1 ), werden de substraten gegloeid bij 450 °C onder een PH3 stroom van 8,93 × 10 −4 mol/min gedurende 10 minuten voordat de groei bij dezelfde temperatuur wordt gestart [24]. 30 nm Au-deeltjes werden in dit onderzoek als zaaddeeltjes gebruikt omdat deze grootte het hoogste percentage verticale nanodraden opleverde voor de voorgroeiconditie 1 hierboven gespecificeerd. Bij de tweede methode (voorgroeiconditie 2 ), in plaats van te gloeien, werd TMIn gedurende 15 s voorgevlogen na het verhogen van de temperatuur tot de groeitemperatuur van 450 ° C [26]. In dit onderzoek werden 50 nm Au-deeltjes gebruikt, als de pre-groeicondities 2 was geoptimaliseerd voor deze deeltjesgrootte [26, 27]. Groei waarbij gebruik werd gemaakt van voorgroeicondities 1 , waren gebaseerd op de groeiomstandigheden van nanodraad die worden weergegeven in tabel 1, waarbij de gespecificeerde parameter werd gevarieerd terwijl andere constant werden gehouden. Voor de groei van de hogere TMIn-stroomsnelheid werd de groeitijd verkort om de afmetingen van de nanodraad vergelijkbaar te houden.

De nanodraden gekweekt met behulp van voorgroeiconditie 2 werden gekweekt met behulp van parameters die worden weergegeven in Tabel 2. Voor de gezwellen waarbij de TMIn-stroomsnelheid driemaal werd verhoogd, werden de TMIn-voorstroom- en nanodraadgroeitijden proportioneel verminderd.

Morfologische analyse werd uitgevoerd met behulp van Zeiss Ultra Plus en FEI Helios 600 NanoLab Scanning elektronische microscoop (SEM), terwijl transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) -analyse werd uitgevoerd met behulp van JEOL 2100 TEM's die werkten bij 200 kV. Dwarsdoorsneden van de radiale heterostructuren van nanodraad werden bereid door microtome-slicing. Fotoluminescentie (PL) werd verzameld door opwindende enkele nanodraden die op een saffiersubstraat werden uitgespreid met behulp van een 633 nm HeNe-laser met een vlekgrootte van ~ -1 m. Het excitatievermogen was 20 μW en de PL werd gedetecteerd door een stikstofgekoelde InGaAs-detector.

Resultaten en discussie

Nanodraadfacetten hebben over het algemeen de neiging om de lage index en lage energievlakken te nemen die evenwijdig zijn aan hun groeirichting. In het geval van conventionele nanodraden gekweekt op (111) substraten, worden {0-11} en {11-2} zijfacetten (of hun WZ-equivalent {1-100} en {11-20}facetten) het meest waargenomen, wat resulteert in zeshoekige, driehoekige of combinatorische dwarsdoorsnedevormen zoals niet-hoekig en twaalfhoekig [22, 28]. Figuur 1a, b tonen het gekantelde en bovenaanzicht van de richtingen loodrecht op deze facetten met betrekking tot de groeirichting van de nanodraad en het (111) substraat. In sommige gevallen, zoals in {11-2} facetten, hoewel de eigenlijke microvlakken niet evenwijdig zijn aan de groeirichting, vormt de combinatie van dergelijke vlakken een resulterend vlak dat evenwijdig is aan de groeirichting [28].

Relatieve richtingen van facetten in [111] (of WZ [0001]) en [100] georiënteerde nanodraden, (a ) Gekanteld aanzicht van relatieve richtingen op het (111) oppervlak. (b ) Bovenaanzicht van relatieve richtingen op het (111) oppervlak. (c ) Gekantelde weergave van relatieve richtingen op het (100) oppervlak. (d ) Bovenaanzicht scanning elektronenmicroscopie (SEM) afbeelding van een [100] nanodraad en het {011} splitsingsvlak van het (100) InP-substraat. Relatieve richtingen loodrecht op de facetten worden aangegeven.

In de face-centered-cubic (fcc) kristalstructuur zijn de lage indexvlakken die evenwijdig zijn aan de [100]-richting de {011} en {001} families. Hun richtingen ten opzichte van de [100] nanodraadgroeirichting worden getoond in figuur 1c. Figuur 1d toont een bovenaanzicht SEM-beeld van een nanodraad ten opzichte van het {011} splitsingsvlak van het InP-substraat, dat wordt gebruikt voor gemakkelijke identificatie van facetten. Tabel 3 toont de mogelijke combinaties en dwarsdoorsnedevormen bestaande uit de bovengenoemde {011} en {001} facetten met lage index. Facetten van beide families {011} en {001} zijn equivalent en niet-polair. De {011}-oppervlakken die enigszins afgesneden zijn in de richting van [100] nanodraadgroeirichting (zoals het zou zijn in een taps toelopende nanodraad) zouden gedeeltelijke polariteit vertonen, met (01-1) en (0-11) paar facetten met groep V-rijke gedeeltelijke B-polariteit en tegenovergestelde (011) en (0-1-1) paar facetten die groep III-rijke gedeeltelijke A-polariteit tonen [24]. Onder groep V-rijke, hoge V/III-groeiomstandigheden die vergelijkbaar zijn met die gebruikt in deze studie, groeien de A-polaire facetten sneller dan de B-polaire facetten [29,30,31]. Evenzo ontbinden B-polaire InP-oppervlakken veel sneller dan A-polaire oppervlakken vanwege de twee ongepaarde elektronen die zijn geassocieerd met de P-atomen [32, 33]. Hoewel de bindingen in het huidige geval van gedeeltelijke polariteit niet precies vergelijkbaar zijn, kunnen vergelijkbare trends in reactiviteit worden verwacht vanwege een hogere fractie P-atomen op gekantelde (01-1) en (0-11) facetten. Dergelijke anisotropieën tussen deze twee typen facetten maken de anisotrope geometrietypen III, V, VI en VII mogelijk. De twee typen ((01-1)/(0-11) en (011)/(0-1-1)) kunnen worden geïdentificeerd met betrekking tot de <111> niet-verticale nanodraden die op hetzelfde substraat zijn gegroeid V-beëindigde 'B' polariteit [24].

Hier moet ook worden vermeld dat de facetten net onder het deeltje een achthoekige vorm vormen, de polygoonvorm die bestaat uit facetten met een lage index die het dichtst bij een cirkelvorm ligt [24]. Hierdoor kan het deeltje op zijn beurt dicht bij een bolvorm blijven met minimale vervorming en oppervlakte-energie [21, 26]. Dit werk bespreekt de daaropvolgende stabiele facetten en verschillende dwarsdoorsnedevormen die later evolueren (binnen ongeveer 200 nm van de druppel) en die een groot deel van de nanodraden uitmaken. De verschillende zijfacetten van nanodraden evolueren voornamelijk met laterale groei. Daarnaast dragen ook oppervlaktediffusie en oppervlakteverdamping hieraan bij [28, 34]. Deze factoren worden beperkt door de kinetiek en thermodynamica die worden bepaald door de groeiparameters tijdens nanodraadgroei [28, 35]. Om dezelfde reden zijn de facetten van de nanodraad alleen afhankelijk van hun werkelijke groeiomstandigheden en niet van de pre-groeiomstandigheden die worden besproken in de sectie methoden.

Groeitemperatuur en V/III-voorloperstroomverhouding zijn de meest invloedrijke parameters in MOVPE-nanodraadgroei [35]. Daarnaast beïnvloeden de stroomsnelheden van de precursor ook de groeidynamiek [35]. Figuur 2a-c toont de facetvariatie van de [100] georiënteerde nanodraden met groeitemperatuur, V/III-verhouding en trimethylindium (TMIn) stroomsnelheid (terwijl V/III constant wordt gehouden) tijdens de groei. De facetanalyse wordt gedaan met behulp van de SEM-afbeeldingen van het bovenaanzicht. De schema's van elk profiel worden ook getoond voor de duidelijkheid. Alle nanodraden worden getoond in Fig. 2 zijn gekweekt met behulp van pre-groeicondities 1 beschreven onder de sectie methoden. De <100> georiënteerde nanodraden in serie (a) en (b), en paneel (c) i zijn ongeveer 1 m lang. De nanodraden hebben een vergelijkbare morfologie voor de meeste groeiomstandigheden en een 45 ° gekanteld zijaanzicht SEM-beeld van het standaardmonster wordt getoond in de inzet van figuur 2a (iii). Alle <100> georiënteerde nanodraden vertoonden hetzelfde facetprofiel voor een bepaalde groeiconditie en bovenaanzichten van grote oppervlakten van dezelfde gezwellen als die getoond in figuur 2 zijn te vinden in aanvullend bestand 1:figuur S1. Zoals te zien is in het zijaanzicht in Fig. 2a (iv), voor de groeitemperatuur van 475 ° C, ongeveer een derde van de verticaal genucleëerde nanodraden geknikt naar een <111> richting aan het bovenste deel van de nanodraad (zie aanvullend bestand 1:Figuur S2). Aangenomen wordt dat dit heeft plaatsgevonden tijdens de afkoelfase na groei met de uitputting van In uit het Au-deeltje zoals weergegeven in [26]. In dit voorbeeld worden de facetten van het verticale [100] georiënteerde segment onderzocht door te focussen op het onderste niet-geknikte deel van de nanodraad.

Variatie van de zijfacetten van de <100> georiënteerde nanodraden met de basisgroeiparameters. De reeksen langs elke rij komen overeen met variatie in (a ) groeitemperatuur, (b ) V/III-verhouding, (c ) TMIn-stroomsnelheid (terwijl V/III constant wordt gehouden) met betrekking tot het standaardmonster dat is gekweekt onder de groeiomstandigheden die worden vermeld in tabel 1 in de sectie Methoden. De witte pijl in (a )iv geeft de dunnere basis aan. Schaalbalken zijn 100 nm.

De temperatuurvariatie van 420 tot 450 °C heeft de facetten drastisch veranderd van vier {011} facetten naar vier {001} facetten via een achthoekige vorm die uit beide soorten facetten bestaat. Gezien de vergelijkbare nanodraadhoogten van 1 m, is er geen significant verschil in het taps toelopen van 420 tot 450 ° C. De trend verandert aanzienlijk bij een groeitemperatuur van 475 °C. Nogmaals, de hoogte van het [100] georiënteerde segment van deze nanodraden is 1 m, wat een directe vergelijking van laterale groei mogelijk maakt door het dwarsdoorsnede-oppervlak te vergelijken. Radiale groei van nanodraden is over het algemeen kinetisch beperkt [35]. Dit betekent dat radiale groei naar verwachting zal toenemen met de temperatuur. In tegenstelling tot deze verwachting is de totale laterale groei in dit geval minder. De laterale groei in de [01-1] en [0-11] richtingen is erg klein, hoewel er niet veel verschil is in de laterale groei in de [011] en [0-1-1] richtingen vergeleken met lagere groeitemperaturen . Het zijaanzicht van de nanodraden laat zien dat sommige nanodraden aan de basis dunner zijn (inzet in Fig. 2a(iv)). De eerder begroeide gebieden die minder laterale groei vertonen, suggereert dat er enige ontleding en verdamping van het oppervlak plaatsvindt bij 475 ° C. Er moet ook worden opgemerkt dat deze <100> nanodraden veel meer vatbaar zijn voor thermische ontleding in vergelijking met <111> georiënteerde nanodraden van de WZ- of ZB-fase. In een afzonderlijk experiment, waarbij WZ-fase <111> nanodraden en ZB <100> nanodraden tot een hogere temperatuur werden verwarmd, bleek dat alle <100> nanodraden volledig werden afgebroken tijdens de temperatuurstijging van 450 naar 650 °C, zelfs onder PH3 overdruk, terwijl de <111> equivalente <0001> WZ nanodraden nog steeds overleefden (Aanvullend bestand 1:Figuur S3). Hier zou een vergelijkbaar, lager niveau van ontbinding kunnen plaatsvinden bij de relatief lage temperatuur van 475 °C, vanwege het lage debiet van PH3 en vandaar het gebrek aan overbescherming van groep V. Ontleding die concurreert met de trage groeisnelheid zou ook de reden kunnen zijn voor het ontbreken van nanodraadgroei bij een groeitemperatuur van 500 °C.

Zoals eerder besproken, vertonen de schuine {011} facetten gedeeltelijke polariteit en de gedeeltelijk B polaire schuine (01-1) en (0-11) facetten zouden vatbaarder kunnen zijn voor ontbinding [32, 33]. Dit zou leiden tot meer concurrentie van ontbinding op de (01-1) en (0-11) facetten vergeleken met (011) en (0-1-1) facetten, waardoor laterale groei in de voormalige facetten wordt beperkt in vergelijking met lagere groeitemperaturen waar ontbinding is niet aanwezig. Dit resulteert in de zeer langwerpige vorm die wordt waargenomen bij een groeitemperatuur van 475 ° C.

Evenzo zou de V/III-verhouding een rol moeten spelen in de resulterende doorsnedevorm met een hoge V/III-verhouding die overgroei van gedeeltelijk A-polaire, off-cut (011) en (0-1-1) facetten bevordert en vandaar, het versterken van de asymmetrie in de twee loodrechte <011> richtingen. Een dergelijke asymmetrie wordt echter niet waargenomen in het V / III-bereik dat hier wordt bestudeerd (Fig. 2b-serie). Een reden hiervoor is het volledige bereik (200 tot 700) waarmee binnen de reactorbeperkingen kon worden geëxperimenteerd met behoud van een hoge verticale opbrengst, die relatief hoog is in termen van V/III-verhoudingen die algemeen worden gebruikt in MOVPE. Daarom zijn er geen duidelijke verschillen te zien in SEM-analyse. Omdat de meer prominente zijfacetten die worden bepaald door de groeiomstandigheden {001} zijn, kunnen deze asymmetrieën al samen met het grootste deel van de nanodraad zijn overgroeid, om de meer prominente symmetrische {001} facetten te produceren.

Het verhogen van de TMIn-stroomsnelheid (en dus de groeisnelheid) resulteert in facetten die veranderen van {001} naar {011} (Fig. 2c (i-ii)). Gezien de langere lengte van de nanodraden gegroeid met hogere TMIn-stroomsnelheden (~  1,5 en 2,5 m voor respectievelijk 12 × en 20 × stroomsnelheden), de taps toelopende parameter (berekend als, (gemiddelde nanodraadbreedte bij de basis-hemisferische NP-diameter) / (2 × gemiddelde nanodraadlengte)) neemt feitelijk af met toenemende stroomsnelheid, hoewel de absolute laterale groei toeneemt, zoals te zien is in serie (c) in Fig. 2. Deze vermindering van de taps toelopende parameter met toenemende precursorstroomsnelheid wordt verwacht in nanodraden als de axiale groei is massatransport beperkt en de radiale groei is kinetisch beperkt [35, 36]. Hoewel er geen duidelijk bewijs was dat de huidige radiale facetgroei kinetisch beperkt is, heeft de verhoogde massatransport beperkte axiale groeisnelheid met de stroomsnelheid van de precursor bijgedragen aan het waargenomen gedrag. De facetten die worden gezien voor de hoogste bestudeerde TMIn-stroomsnelheid (~  20×)) zijn interessant. De vorm van de dwarsdoorsnede is ruwweg achthoekig, maar bevat geen lage oppervlakte-energie en/of facetten met een lage index. Deze facetten worden gecompliceerd door de onregelmatige microfacetten die samen met de zijfacetten worden gezien (zie het facet aan de voorkant in de SEM-inzet van 45° met de titel in Fig. 2c (iii)). Hoewel de reden voor de vorming van deze facetten op dit moment niet helemaal duidelijk is, zou een mogelijke reden de afname van de diffusielengte van adatomen kunnen zijn met hun toename van het aanbod [5, 37, 38]. In dit geval zouden de adatoms niet ver genoeg kunnen migreren om te worden opgenomen op locaties of facetten met lage energie, maar eerder dichter bij het punt van absorptie te worden opgenomen en microfacetten met hogere energie te vormen.

Tot nu toe kon worden gezien dat de meeste groeiparameters werden gebruikt om de nanodraden te laten groeien met behulp van pre-groeiomstandigheden 1 heeft geresulteerd in symmetrische {001} facetten. De laagste groeitemperatuur (420 °C) en hogere (~ 10×) TMIn-stroomsnelheid hebben {011} typefacetten opgeleverd. Deze twee omstandigheden resulteren echter in een lagere verticale opbrengst (< 20 %) zoals weergegeven in Aanvullend bestand 1:Figuur S1. Vandaar voorgroeicondities 2 , gedemonstreerd door Wang et al. [26] werd onderzocht om een ​​hoge verticale opbrengst te behouden terwijl de groei werd uitgevoerd onder een hoge TMIn-stroomsnelheid en om {011}-type facetten te bereiken.

Zoals getoond in Fig. 3a, b, leverden deze groeiomstandigheden ~ -65-80% verticale nanodraden op met <100> georiënteerde nanodraden met {011} zijfacetten zoals verwacht. De doorsnede is langwerpig in de [011]↔[0-1-1] richtingen als gevolg van een hogere groeisnelheid van de respectieve facetten, wat resulteert in een rechthoekige vorm. Opgemerkt moet worden dat vergelijkbare groeiomstandigheden hebben geresulteerd in {001}-type zijfacetten in de oorspronkelijke studie [26, 27], en dit kan te wijten zijn aan subtiele verschillen zoals reactorconfiguratie en totale stroom. De TMIn-stroomsnelheid zou verder driemaal kunnen worden verhoogd, tot een iets hogere waarde dan die gebruikt in de groei getoond in Fig. 2c (iii), zonder afbreuk te doen aan de verticale opbrengst (~ -72%) zoals weergegeven in Fig. 3d. In dit geval werd de voorvultijd van het deeltje met een factor 3 verminderd om het In-percentage in het deeltje op het moment van kiemvorming nagenoeg gelijk te houden. SEM-afbeeldingen met een groot bovenaanzicht van dezelfde gezwellen als die getoond in Fig. 3a, d zijn te vinden in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S4. De facetten van de resulterende nanodraden getoond in figuur 3e zijn vergelijkbaar met die eerder gezien voor een zeer hoge TMIn-stroomsnelheid in figuur 2c (iii). Deze waarneming bevestigt nogmaals het argument dat de facetten alleen afhankelijk zijn van de groeicondities en niet van de pre-groeicondities. In het volgende worden deze facetten verder ontwikkeld om combinaties met een lage index te vormen door in situ uitgloeiing na de groei.

Facetten van nanodraden gegroeid met behulp van TMIn pre-flow techniek (a ) 45˚ gekanteld SEM-aanzicht van nanodraden gegroeid met behulp van de TMIn-pre-flow-techniek en groeiomstandigheden gegeven in Tabel 2 in het gedeelte Methoden. (b ) Bovenaanzicht van nanodraden getoond in (a). (c ) Schematische weergave van het facetprofiel en de richtingen ten opzichte van het substraat in (b ). (d ) 45˚ gekantelde SEM-weergave van nanodraden gegroeid met behulp van TMIn pre-flow-techniek en 3 keer hogere stroomsnelheid dan die van (a ) en (b ). (e ) Bovenaanzicht van een nanodraad van (d ).

Na groei wordt de stabiliteit van de facetprofielen van nanodraad bepaald door oppervlakte-energie en oppervlakte-volumeverhouding [23, 39]. De oppervlakte-energie hangt voornamelijk af van het type facet, bijvoorbeeld {011} facetten hebben een lagere oppervlakte-energie in vergelijking met {001} facetten [40, 41]. De oppervlakte-tot-volumeverhouding, die gelijk is aan de omtrek-tot-oppervlakteverhouding (uitgaande van een constante nanodraadhoogte), wordt bepaald door de vorm van de dwarsdoorsnede; een achthoekige doorsnede heeft een lagere verhouding dan een vierkante doorsnede. Gloeien zou thermische energie kunnen leveren om de kinetische energiebarrière voor oppervlaktemigratie van atomen te overwinnen [28], wat resulteert in een facetprofiel dat de totale oppervlaktegerelateerde energie zou minimaliseren met de optimale balans tussen de facettypen en de vorm van de dwarsdoorsnede. De hoeveelheid toegevoerde thermische energie kan worden geregeld door twee gloeiparameters, namelijk temperatuur en tijd. Deze zullen op hun beurt het volume van het materiaal dat wordt gemigreerd regelen en de afstand die de atomen kunnen afleggen, en daarmee de resulterende facetprofielen van de nanodraden.

Zoals eerder vermeld, zijn <100> nanodraden niet bestand tegen hoge gloeitemperaturen, waardoor het parameterbereik in termen van gloeitemperaturen wordt beperkt. Daarom werd in deze studie gloeitijd gebruikt om de facetten te engineeren. Gloeien werd uitgevoerd direct na groei bij 550 ° C gedurende een periode tussen 20 s en 10 min onder PH3 overdruk. Opgemerkt moet worden dat oppervlaktemigratie ook plaatsvindt tijdens de temperatuurstijging van 450 ° C groeitemperatuur tot 550 ° C gloeitemperatuur, die ongeveer 210 s duurde.

Figuur 4a (ii), b (ii) tonen de resulterende facetten na uitgloeien, voor de nanodraden getoond in Fig. 3a, b en d, e voor respectievelijk 20 en 210 s. In beide gevallen heeft oppervlaktemigratie plaatsgevonden waarbij de vorm van de dwarsdoorsnede evolueerde naar een langwerpige achthoekige vorm. Deze vorm heeft een lagere omtrek-tot-oppervlakteverhouding dan de rechthoekige startvorm in het geval van de reeks nanodraden getoond in figuur 4a. Wat betreft de nanodraden getoond in Fig. 4b, kon worden gezien dat de facetten met hoge index zijn geëvolueerd naar facetten met lage index {001} en {011} met lagere oppervlakte-energieën. Het bestaan ​​van meerdere tussenliggende stappen in het herschikkingsproces zou de reden kunnen zijn voor de tien keer langere gloeitijd die nodig is voor de onregelmatige gefacetteerde nanodraden om een ​​langwerpige achthoekige vorm te bereiken in figuur 4b (i-ii), vergeleken met die getoond in figuur 4a, waar directe migratie kan hebben plaatsgevonden. Verder gloeien van deze facetten gedurende 6,5 min heeft het oppervlaktemigratieproces voltooid, wat resulteert in een symmetrische achthoekige dwarsdoorsnede. Deze vormevolutie vermindert de resulterende totale oppervlakte-energie door de oppervlakte-tot-volume (of omtrek-tot-oppervlakte) verhouding te verminderen, ondanks de krimp van de {011} facetten en vorming en uitzetting van relatief hogere energie {001} facetten in het proces.

Facet-engineering door gloeitechniek na de groei. Bovenaanzicht SEM-afbeeldingen met (a ) facet-evolutie van nanodraden met {011} facetten na 20 s uitgloeien. (b ) facet evolutie van nanodraden met hoge index facetten na gloeien gedurende 210 en 600 s. Merk op dat de schijnbare verlenging van het Au-deeltje gezien in bovenaanzicht in (a ) ii, (b ) ii en (b ) iii is te wijten aan de Au-deeltjestitel (zoals weergegeven in het zijaanzicht van a ii) met betrekking tot de groeirichting tijdens het uitgloeien en/of afkoelen. Alle schaalbalken zijn 500 nm

Aanvullend bestand 1:Tabel S1 breidt tabel 3 in het hoofdmanuscript uit met experimentele pre-groei, groei en post-groei annealing-parameters die resulteren in dwarsdoorsnedevormen die theoretisch voorspeld zijn voor <100> nanodraden, terwijl de verticale opbrengst wordt gemaximaliseerd.

Zoals besproken in de inleiding, kunnen niet-uniforme zijfacetten worden benut om complexe radiale heterostructuren te creëren. Figuur 5a, b toont twee voorbeelden van hoe aanhoudende preferentiële en anisotrope groei van opeenvolgende lagen onconventionele radiale heterostructuren zou kunnen creëren. In Fig. 2c (ii) en 3a-c werd gezien dat een hogere stroomsnelheid van de voorloper resulteert in {011} facetten. Dit betekent dat de {001} facetten sneller groeien onder deze omstandigheden. Afbeelding 5a toont een In0,55 Ga0,45 Als laag gegroeid op een [100] georiënteerde InP nanodraadkern met grotere {001} facetten met een totale groep III stroomsnelheid van 1,23 × 10 −5 mol/min, wat relatief hoog is en vergelijkbaar met die welke {011} facetten opleveren voor de InP nanodraden. Hoewel het gedrag van facetten van verschillende materialen enigszins kan variëren, wordt ook hier gezien dat de preferentiële en snellere groei op {001}-facetten bij hoge totale precursorstroomsnelheden heeft geleid tot de groei van gescheiden InGaAs-schaalplaatjes op de {001}-facetten . Een andere InP-laag die is gegroeid met een matige stroomsnelheid van de voorloper zou de hele structuur kunnen inkapselen om een ​​kwantumput (QW)-platen te vormen die van elkaar zijn gescheiden, wat in tegenstelling is tot buisvormige radiale QW's die vaak worden waargenomen in ZB <111> of WZ <0001> georiënteerde nanodraden [10, 42]. Naast QW's zal dit concept ook het ontwerp en fabricage van vierzijdige apparaten op de zijvlakken van de nanodraden mogelijk maken [7].

Structurele en optische eigenschappen van heterostructuurgroei op [100] nanodraadfacetten. Schema's en transversale transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beelden van (a .) ) gescheiden InGaAs-schaalplaten gegroeid op een overwegend {001} gefacetteerde nanodraad met een hoge stroomsnelheid. Inzet toont het geïndexeerde diffractiepatroon dat betrekking heeft op het TEM-beeld. (b ) InGaAs-kwantumdraden gegroeid op een langwerpige nanodraad met achthoekige dwarsdoorsnede met kleinere {001} facetten, met een hoge stroomsnelheid. Inzetstukken tonen de schema's van de radiale heterostructuren. (c ) Kamertemperatuur PL van een enkele nanodraad van hetzelfde monster als (b ), wordt heldere emissie waargenomen door de QWR, terwijl InP-emissie zichtbaar is als een zeer zwakke piek

Figuur 5b toont een vergelijkbare InGaAs-laaggroei die is uitgevoerd op een InP-nanodraadkern met een langwerpige achthoekige dwarsdoorsnedevorm (type V in aanvullend bestand 1:tabel S1) met kleinere {001}-facetten. Hier heeft de snellere InGaAs-groei op de {001} facetten geresulteerd in de vorming van kwantumdraden (QWR's) die langs de vier {001} randen van de kern nanodraad lopen. De daaropvolgende InP-laag gegroeid met een gemiddelde TMIn-stroomsnelheid van 6,75 × 10 −06 mol/min heeft de groei afgetopt en de barrière van de QWR's voltooid. Figuur 5c toont het representatieve PL-spectrum bij kamertemperatuur van een enkele nanodraad uit hetzelfde monster. Heldere emissie wordt waargenomen op ongeveer 1,31 m van de QWR, terwijl InP-kern en barrière-emissie nauwelijks zichtbaar zijn, wat de efficiënte drageropname aantoont door de QWR's die zijn gegroeid op de vier {001} facetten. De brede emissie kan te wijten zijn aan kleine variaties in grootte tussen de vier QWR's en de subtiele fluctuaties in dikte langs de lengte van de nanodraad (zie aanvullend bestand 1:figuur S5).

Conclusies

De facetten van de [100]-georiënteerde nanodraden zijn ontworpen om een ​​verscheidenheid aan facetcombinaties te verkrijgen, wat resulteert in dwarsdoorsnedevormen van vierkant tot achthoek. Dit werd bereikt met behoud van een hoge opbrengst aan verticale nanodraden. Nanodraadfacetten waren uitsluitend afhankelijk van de groeiparameters en men zag dat langzame groeisnelheden resulteerden in {001}-type facetten, terwijl snelle groeisnelheden meestal {011} facetten opleverden. Facetten werden verder ontwikkeld door in situ uitgloeien na de groei om achthoekige en langwerpige achthoekige dwarsdoorsneden te vormen, bestaande uit een combinatie van {011} en {001} facetten. De nieuwe facetten van [100] nanodraden en hun relatieve preferentiële groei werden gemanipuleerd om optisch actieve nieuwe soorten radiale heterostructuren aan te tonen. Deze resultaten zouden de belangstelling moeten vergroten voor deze nanodraden die zijn gekweekt op de industriestandaard (100) georiënteerde substraten in een breed scala aan nieuwe toepassingen die zijn gebaseerd op complexe nanodraadarchitecturen.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

De datasets die tijdens het huidige onderzoek zijn gebruikt en/of geanalyseerd, zijn op redelijk verzoek verkrijgbaar bij de corresponderende auteur.

Afkortingen

MOVPE:

Metaal organische dampfase epitaxie

PL:

Fotoluminescentie

QW:

Kwantumbron

QWR:

Kwantumdraad

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie

TMIn:

Trimethylindium

WZ:

Wurtziet

ZB:

Zinkblende


Nanomaterialen

  1. Reliability Engineering Principles for the Plant Engineer
  2. IBM-wetenschappers vinden een thermometer uit voor de nanoschaal
  3. Het ontwerp van de emissielaag voor elektronenvermenigvuldigers
  4. De studie van een nieuw, door nanodeeltjes versterkt, wormachtig micellair systeem
  5. Nabehandelingsmethode voor de synthese van monodisperse binaire FePt-Fe3O4-nanodeeltjes
  6. Een efficiënt en effectief ontwerp van InP-nanodraden voor maximale oogst van zonne-energie
  7. De optimalisatie van spacer-engineering voor condensatorloze DRAM op basis van de Dual-Gate Tunneling Transistor
  8. Hoe u de op maat gemaakte technische oplossingen vindt die u zoekt
  9. Een gebrek aan diversiteit kan de oorzaak zijn van de groeiende vaardigheidskloof in de sector
  10. Bedankt voor de herinneringen!
  11. Het belang van interne inspectiediensten voor CNC-bewerking en precisie-engineering