Precieze atomaire-schaalanalyse van Bi-verdeling in GaAs_1−xBi_x legeringen via EDX, HAADF en EELS

Duidelijk verschilt de verdeling van Bi in dergelijke geordende legeringen van een willekeurige legering, en dit moet overwogen worden bij het verder afleiden van legeringseigenschappen. Het begrip van CuPt-ordeningseffecten in verdunte GaAsBi-legeringen is nog in de vroege stadia, wat meer systematische studies vereist. In dit artikel worden geavanceerde aberratie-gecorrigeerde STEM-methoden gebruikt om modi van Bi-verdeling in verschillende uniek gegroeide GaAsBi-legeringen te analyseren. De analyse wordt uitgevoerd met behulp van statistische STEM Z-contrast beeldverwerking en beeldsimulaties, alsook atomaire-schaal röntgen-energie-dispersieve spectroscopie (EDX). Gemonochromeerde elektronen-energie-verlies-spectroscopie (EELS) wordt gebruikt om lokale eenheidscel-volumeveranderingen in GaAsBi te onderzoeken via bulplasmon-energieverschuivingen.

Resultaten en discussie

Het eerste GaAs_1−xBi_x monster dat hier gepresenteerd wordt, S1, is een p-i-n hetero-diode met gedopte GaAs-lagen en intrinsieke 420 nm bismide. Bismuth-concentratie in het monster werd bepaald op 4,5% Bi met behulp van röntgendiffractie (niet hier getoond) en kamertemperatuur PL, wat 1,10 eV bandgape aangeeft. PL-bandrandmetingen worden vertaald naar Bi% met referenties. Een dwarsdoorsnede atomaire-resolutie HAADF STEM-beeld langs [110] zone-as nabij de GaAs-GaAsBi-interface wordt getoond in Fig. 1a. De [001] groeias en andere relevante kristallografische richtingen zijn gemarkeerd in Fig. 1b en gelden ook voor Fig. 1a. Omdat zware Bi-atomen de probeelektronen naar hoge hoeken veel sterker verstrooien dan Ga of As-atomen, benadrukt een HAADF-detector met een grote binnen-verzamelingshoek (90 mrad hier) de Bi-verdeling in dunne monsters gunstig. Het kristal bekeken langs een <110> richting verschijnt als een verzameling atomaire "dumbells", georiënteerd parallel aan de groei [001] as. Vanwege hun vergelijkbare atoomnummers (Z), kunnen Ga (31) en As (33) niet gemakkelijk onderscheiden worden door blote inspectie van HAADF-beelden. Echter, Bi-bevattende groep-V kolommen tonen opvallend hogere contrast. Zoals te zien in Fig. 1a en in de ingezoomde regio nabij de interface, zijn groep-V kolommen gepositioneerd in de bovenste helft van dumbells boven Ga-kolommen. Dit wordt verwacht bij het beeldvormen van GaAsBi langs [110] zone-as. Let op dat de polariteit van groep V/III dumbells omgekeerd wordt wanneer het monster bekeken wordt langs de orthogonale [\overline{1}10] richting. Deze in-plane orthogonale richtingen kunnen ook onderscheiden worden, aangezien CuPt-type ordening optreedt op {111}B-type vlakken en dus alleen gezien kan worden door beeldvorming langs [110] zone-as. Figuur 1b toont een lager-vergrößering HAADF-beeld dieper in de film met uitgesproken CuPt_B-type ordening. De geordende domeinen worden gezien om willekeurig af te wisselen tussen de twee sets van {111}B vlakken, nl. (\overline{1}11) en (1\overline{1}1). Deze worden conventioneel B₊ en B₋ subvarianten genoemd. Fourier-transformatie van het beeld wordt getoond in de linkerboveninset. De vier hoofd-Bragg-pieken zijn [111]*-type, terwijl de vier 1/2[111]*-type superrooster-pieken CuPt_B ordening met vergelijkbare grootte op de twee sets van {111}B vlakken aanwijzen. Een fase-gescheiden GaAsBi-regio is zichtbaar in Fig. 1b als een donkere streep in de onderste beeldgedeelte. Dit domein lijkt donkerder dan een bismide, aangezien het Bi-arm GaAs-achtig is. Vanwege de metastabiliteit van GaAsBi-legeringen, zijn spinodale ontbinding en fase-scheiding in veel artikelen gerapporteerd. Voor een duidelijker afbeelding van de B₊ en B₋ subvariant-ordening, worden Figs. 1c, d gepresenteerd door beelden te vormen met 1/2[111]* superrooster-reflectie-paren. Een masker wordt toegepast op elk superrooster-paar in de reciproke ruimte en inverse Fourier-getransformeerd terug naar de reële ruimte. Heldere regio's van (111) vlakken in deze beelden duiden erop dat de ordening meer uitgesproken is, met andere woorden, dat de ordeparameter lokaal varieert. Er zijn ook TEM-monster-oppervlaktedikte-variaties door monsterbereiding met een gefocusde ionenbundel. De monsterbereiding kan amorfe oppervlaktelagen en gesmolten Ga-atoomagglomeraten op het oppervlak achterlaten, wat zwakke beeldintensiteitmodulaties kan veroorzaken. Echter, Ga verstrooit veel zwakker naar hoge hoeken dan Bi-atomen en zou de analyse van Bi-verdeling niet significant beïnvloeden. De pijl in Fig. 1d toont een regio met ordenings-anti-fasegrenzen. Over zo een grens verandert het B₊ (B₋) domein zijn fase door alle Bi-rijke vlakken in As-rijke vlakken om te zetten. Ordenings-anti-fasegrenzen kunnen ontstaan door glijdislocaties of door willekeurige afwisseling tussen B₊ en B₋ domeinen tijdens groei. Het laatste lijkt hier het geval te zijn.

Kwantificering van het HAADF-beelde getoond in Fig. 1a wordt vervolgens uitgevoerd door rekening te houden met ruimtelijke verdelingen van atomaire kolom-verstrooiingsdoorsnedes (SCS). Het StatSTEM-algoritme wordt gebruikt om kolommen te fitten met 2-dimensionale Gaussiaanse, en de SCS van een gegeven kolom wordt gedefinieerd als volume onder die Gaussiaanse. Dit is een parametrisch model-gebaseerde kwantificering, in tegenstelling tot directe integratie van kolomintensiteiten in een experimenteel beeld. De parametrische modelbenadering kan betrouwbaarder zijn als kolomintensiteiten neigen te overlappen, zoals in <110> GaAsBi. De verdeling van SCS in het gekwantificeerde Fig. 1a wordt uitgezet als een histogram in Fig. 2b, dat voorlopig gefit wordt met vijf Gaussiaanse. De ruimtelijke verdelingen van SCS worden vervolgens uitgezet in Fig. 2a op de modelstructuur samengesteld uit een superpositie van Gaussiaanse met hetzelfde kleurenschema-vierkanten geplaatst op elke kolom. De SCS van Ga- en As-kolommen overlappen sterk en produceren de hoofdpiek in het histogram. Dit is te wijten aan de vergelijkbare Z-nummers van deze atomen alsook additionele experimenteel geïntroduceerde verbreeding. Door de lagere Gaussiaanse component (donkerblauwe kleur) of de bovenste (lichter blauw) binnen deze hoofdpiek te plotten, toont aan dat ~ 60% van, bv., As-kolommen in de GaAs-bufferlaag correct geïdentificeerd worden, zoals te inspecteren vanuit de dumbell-polariteit. Voor vergelijking, SCS-kwantificering van de onderste GaAs-bufferlaag alleen wordt gepresenteerd in Supplementary Fig. S2. Het suggereert dat meer dan twee Gaussiaanse momenteel nodig zijn om Ga- en As-kolommen in het zichtsveld beter te onderscheiden en geeft aan dat hun gemiddelde SCS zoveel als 10% kan verschillen. Dit verschil stemt overeen met onze simulaties getoond hieronder en ook de resultaten gevonden in Beyer et al., waar Ga- en As-geïntegreerde kolomintensiteitsverdelingen in [010] GaAsBi ontkoppeld waren. De aanwezigheid van sterk verstrooiende Bi-atomen strekt de SCS uit tot waarden boven ~ 5,5 × 10⁵ e⁻Ų (zie SI Fig. S2), wat de rechterschouder in Fig. 2b oplevert. Het wordt gefit met drie Gaussiaanse om voorlopig kolommen met hogere Bi-inhoud te onderscheiden. Een atoomscherpe GaAs-GaAsBi-interface kan gezien worden in Fig. 2a. Nauwere inspectie toont aan dat de eerste groep-V (001) laag kolommen met een significant aantal Bi-atomen gerangschikt is op elke tweede dumbell langs de interface. Dit suggereert de aanvang van CuPt-type ordening vroeg in de epitaxiale groei. Een afbeelding van de interface atomaire configuratie wordt getoond in de inset van Fig. 2b. Het herstelt de rangschikking van atomen langs de interface met Bi-atomen (oranje) op elke tweede kolom langs het eerste groep-V (001) vlak. De eerste ~ 4–5 (001) atomaire vlakken in Fig. 2a tonen geen vooroordeel voor CuPt B₊ of B₋ subvarianten. Meer uitgesproken enkelvoudige ordening ontstaat vanaf het ~ 6e (001) groep-V atomaire laag en schakelt dan naar de andere subvariant. Geen antisite-defecten Bi_Ga worden aangegeven door de SCS-verdeling aan de interface, wat zichtbaar zou zijn als vierkanten op groep-III kolommen met kleuren geassocieerd met Bi. Een waarschijnlijkheid van diverse Bi_Ga antisites wordt echter gevonden in de rechterbovenhoek van de figuur. Zowel groep-III als groep-V kolommen tonen Bi-achtige SCS op enkele dumbells in die regio, wat ook de aanwezigheid van defectparen Bi_Ga-Bi_As kan aangeven. Om een beter idee te krijgen van het aantal Bi-atomen betrokken bij het bepalen van de SCS, let op dat in een nominaal 20–25-nm dik monster er 50–60 atomen in een <110> kolom zitten. Dus, 2–3 Bi-atomen zijn waarschijnlijk in een groep-V kolom voor een willekeurige legering met momenteel 4,5% Bi. Dit nummer zal hoger zijn in geordende Bi-rijke vlakken, waarschijnlijk oplopend tot 6–7 in kolommen met de grootste SCS. Om de StatSTEM-analyse aan te vullen, wordt een multislice HAADF-beeldsimulatie gepresenteerd op een model GaAsBi <110> supercel-structuur.

De bijdrage aan HAADF-beeldintensiteit van Bi-atomen op verschillende monsterdieptes kan non-lineair zijn door wat losjes als channeling wordt aangeduid. Kwantificering van dopanten op atomaire schaal vereist dus overweging bij het onderscheiden van echte samenstellingsvariatie van variatie in dopantconfiguraties. Om het channeling-gedrag te illustreren, wordt de gemiddelde probe-intensiteitsvariatie met monsterdiepte wanneer gepositioneerd over As-kolom in <110> GaAs numeriek gesimuleerd en getoond in Supplementary Fig. S3. De model GaAsBi-structuur 17 nm dik gebruikt voor HAADF-simulaties wordt getoond in Fig. 2d gedraaid zijwaarts om posities van Bi-atomen (oranje) binnen As-kolommen (As—lichtblauw, Ga—donkerblauw) te benadrukken. De pijl markeert de incidentale bundelrichting. Het gesimuleerde beeld getoond in Fig. 2c wordt gefit met het StatSTEM-algoritme voor vergelijking met het experiment. De verkregen SCS-waarden werden genormaliseerd tot de SCS-waarde van de kolom met de grootste SCS (6 Bi-atomen) en afgerond op twee significante cijfers. Deze genormaliseerde waarden worden getoond links van elke kolom. Het aantal Bi-atomen in elke groep-V kolom wordt tussen haakjes getoond rechts van de kolom. In redelijke overeenstemming met eerdere bevindingen, wordt het verschil tussen As- en Ga-SCS-waarden ~ 8% gevonden. Het verschil in SCS tussen zuivere As-kolom en As-kolommen met één Bi-atoom ligt in een bereik van 2–4% voor verschillend gepositioneerde Bi-atomen. Men kan duidelijk zien dat verschillende Bi-configuraties verkeerd geïnterpreteerd kunnen worden voor verschillende samenstellingen, bv., 4 en 5 atomen of 5 en 6 atomen, die bijna dezelfde SCS-waarden geven. Bi-atomen in een kolom richting de bodemoppervlakte dragen steeds minder bij aan de SCS. Verschillende configuraties met 2 Bi-atomen na elkaar die hier onderzocht worden, lijken grote bijdragen te leveren aan de SCS-waarden. Een configuratie van 2 Bi-atomen langs een [110] kolom kan in de praktijk verwacht worden als de CuPt_B ordening in GaAsBi-legeringen inderdaad structurele eenheden produceert met C_3v puntgroepsymmetrie, nl. een Ga-atoom met dichtstbijzijnde buren 1 As en 3 Bi-atomen. Let op dat identieke Ga-kolommen ook variatie in hun SCS vertonen tot ~ 0,02. Dit suggereert dat hun directe omgeving, bv., nabijgelegen sterk verstrooiende kolommen, additionele intensiteit bijdraagt door meervoudige verstrooiing of door koppeling aan ze via uitgebreide proefstaarten. Recent geïntroduceerde betere schaalalgoritmen openen de mogelijkheid om de kwantummechanische multislice-berekeningen te versnellen en derhalve de bovengenoemde effecten in meer detail te verkennen.

Om de STEM-analyse van monster S1 af te ronden, wordt elektronen-energie-verlies-spectroscopie (EELS) gebruikt om de bulplasmon-energieën te mappen. De plasmon-energieverschuivingen zullen gerelateerd worden aan de eenheidscel-volumeveranderingen en dus aan de legeringsspanning, zoals hieronder besproken. GaAs vertoont één grote plasmon-piek bij ~ 16 eV, en in tegenstelling tot, bv., CdTe, toont het geen complexe interfererende kenmerken van inter-band-overgangen. Als eerste benadering om de gemeten plasmon-energieveranderingen te interpreteren, gebruiken we het Drude-Lorenz-model voor vrij-elektronengas, waar vrij elektronen nu de valentie-elektronen in de halfgeleider zijn. De bulplasmon-energie in dit model is gegeven als \( {E}_p=\hslash {\left(N{e}^2/ Vm{\epsilon}_0\right)}^{1/2} \), waar N het aantal valentie-elektronen in de eenheidscel is, e de elektronenlading, V het eenheidscel-volume, m de elektronenmassa, en ε₀ de permitiviteit van de vrije ruimte. Het eenvoudige Drude-Lorenz-model voorspelt de plasmon-energie doorgaans binnen een paar procenten in halfgeleiders en moet gecorrigeerd worden voor bandstructuureffecten als een betere match gezocht wordt. Zoals getoond in InGaAs en groep-III nitriet halfgeleiderlegeringen, is de verandering in eenheidscel-volume de leidende hoeveelheid die de plasmon-energieverschuivingen bepaalt. Op dezelfde manier werkt de substitutie van iso-elektronische Bi-atomen in de GaAs-matrix voornamelijk om het eenheidscel-volume, V, uit te deden, en dus de plasmon-energie rood te verschuiven. In het volgende gebruiken we de gemeten GaAs- en GaAsBi-piekenergieën om de lokale spanningstoestandverandering in GaAsBi-laag af te leiden via een verhouding van hun eenheidscel-volumes.

Een regio wordt geselecteerd die fase-gescheiden GaAsBi-domeinen bevat getoond in het HAADF-beeld Fig. 3. EELS-spectra werden verzameld van elk pixel vergezeld door het gelijktijdig verworven HAADF-beeld. Stippellijnen in het HAADF-beeld geven de interfaces aan tussen de intrinsieke GaAsBi en de p-type (onder) en n-type (boven) GaAs-lagen. De interface-afbakeninglijnen werden bepaald uit lagere-vergrößering STEM-beelden (niet hier getoond). De beschermende Pt-laag is zichtbaar als het hogere-contrast materiaal boven de bovenste n-GaAs. GaAs-lagen en ook fase-gescheiden domeinen binnen GaAsBi lijken donkerder in het HAADF-beeld. Het verticale lijnenprofiel aan de rechterkant van de EELS-figuur werd verkregen door alle EELS-datapunten horizontaal te binnen. Het toont de relatieve bulplasmon-piekenergieverschuiving, E_GaAsBi-E_GaAs, gerefereerd aan de GaAs-plasmon-energie (gemeten op 16,23 eV) binnen de onderste p-GaAs-bufferlaag. De plasmon-piek verschuift gemiddeld met 0,08 eV naar lagere energiëen in de GaAsBi-laag. De kleine variaties binnen ~ 0,01 eV zijn op de kwantificeringsruisniveaus. De fase-gescheiden domeinen nabij de bovenste GaAs (dunne laag) en onderaan (twee snijde domeinen) retourneren naar de GaAs-plasmon-energiewaarde, wat suggereert dat ze verwaarloosbare Bi-concentraties bevatten. Dopantconcentraties in de GaAs-lagen (orde 10¹⁷ cm⁻³) zijn onbetekenend vergeleken met N/V en zouden de plasmon-energie niet beïnvloeden. We overwegen nu twee begrenzende gevallen voor de GaAs_1−xBi_x eenheidscel-volume V; een waarin het rooster volledig ontspannen is en een waarin het volledig gespannen is aan GaAs-substraat. In het volledig ontspannen geval is de eenheidscel kubisch met roosterconstante a ≈ 5,684 Å bij x = 4,5% Bi. Met behulp van de bovengenoemde vierkantswortelrelatie tussen plasmon-energie en V, zou de energietoverschuiving ten opzichte van GaAs \( \Delta {E}_p^{GaAs Bi}=16.23\left({\left({V}_{GaAs}/{V}_{GaAs Bi}\right)}^{1/2}-1\right)=-0.132\mathrm{eV} \) moeten zijn, wat duidelijk groter is dan de gemeten. Op basis van ontspanningstrends van GaAsBi-legeringen schatten we dat ~ 30% van het rooster ontspannen is in deze 420 nm dikke film, rekening houdend met het feit dat het ook korte thermische anealing heeft ondergaan tijdens het groeien van de bovenste n-GaAs-laag. Daarom zal de gemiddelde GaAsBi-eenheidscel in het volledig ontspannen scenario overschat worden en de grotere \( \Delta {E}_p^{GaAsBi} \) hierboven verklaren. In de andere limiet wordt het bismide-rooster genomen als volledig gespannen met de in-plane roosterconstante gelijk aan die van GaAs (a = 5,653 Å). De out-of-plane roosterconstante die nodig is om de −0,080 eV energietoverschuiving te halen, is dan a_z = 5,709 Å. Dit is een zinvolle a_z waarde en kan vergeleken worden met XRD-RSM-metingen van GaAsBi compressief gespannen aan GaAs-substraat. Vanwege ontspanning worden de werkelijke roosterconstanten verwacht tussen deze twee begrenzende gevallen te liggen. Dit toont een veelbelovende karakteriseringsmethode die informatie over de roosterspanning complementair aan röntgengebaseerde technieken in dergelijke metastabile legeringen kan bieden.

Het tweede GaAsBi-monster, S2, werd gegroeid over een GaAs-bufferlaag die gedeponeerd was op een afgeschuind Ge-substraat. De Ge-GaAsBi hetero-epitaxie werd in ons eerdere werk geanalyseerd, wat ook grote-domein enkelvoudige CuPt_B ordening in GaAsBi demonstreerde. Additionele gegevens worden in dit werk gepresenteerd en gebruikt voor de volledigheid van de discussie over Bi-atoomordening. De totale bismuth-concentratie in dit monster is ~ 5,8% gemeten door PL. De afschuining gecombineerd met GaAs-bufferlaag die in deze epitaxie gebruikt wordt, helpt om de vorming van anti-fasedomeinen in GaAsBi te vermijden, die nog steeds lastig zijn te elimineren bij het direct groeien ervan op niet-polair Ge. Figuur 4a toont het GaAs-GaAsBi-interfacegebied met GaAsBi-laag zichtbaar helderder in het HAADF-beeld. In tegenstelling tot de vorige GaAsBi-film gedeponeerd op een plat GaAs-substraat, wordt hier een enkele CuPt_B ordening-subvariant geselecteerd door de afschuining. Dit is zichtbaar in het HAADF-beeld, en de Fourier-transformatie-inset rechtsboven die een paar 1/2[\overline{1}11]* superrooster-pieken toont. Figuur 4b werd gevormd door een masker toe te passen op het paar superrooster-reflecties, analoog aan Fig. 1c, d. Het toont een veel meer uniforme en groot-domein ordening in de film. Atoomschaal-ontbonden EDX-beelden werden van dit monster verkregen om de ordeparameter η te schatten op basis van compositionele analyse. EDX-chemische mapping overtreft vaak de alternatieve kern-verlies EELS-kwantificering, die neigt tot een slechtere signaal-ruisverhouding bij het kwantificeren van hoge-energie en vertraagde ionisatieranden. STEM-scannrichting werd gewijzigd om de geordende (\overline{1}11) vlakken horizontaal uit te lijnen. Figuur 4c–e toont de Wiener-gefilterde röntgen-elementaire maps. De ordening van Bi-atomen op elke tweede (\overline{1}11) vlak is duidelijk en volgt As-atoomposities. Voor de EDX-compositionele kwantificering, werden twee datasets met 512 × 512 pixels elk verkregen van verschillende gebieden van het monster met identieke experimentele omstandigheden. Subregio's werden uitgelijnd, en de rauwe signalen opgeteld, resulterend in een totaal van 10 frames. Een horizontaal opgetelde rauwe data verticale lijnenprofielen van As-K en Bi-M worden getoond in Fig. 4f. Om de bismuth-samenstelling in de Bi-rijke en Bi-arme (111) vlakken te kwantificeren, werd een integratievenster van 3 Å breed gebruikt, gecentreerd op de atomaire vlakken. Na achtergrondcorrectie en gemiddeld over alle (111) vlakken, toont het aan dat Bi röntgen-tellingen ~ 3 keer hoger zijn in de Bi-rijke vlakken. Totale concentratie 5,8% Bi in het monster, verkregen door PL en XRD-RSM-metingen, wordt vervolgens gebruikt om Bi röntgen-tellingen lineair te schalen naar de samenstelling, wat toont dat Bi tot 9% bereikt in de Bi-rijke vlakken. De ordeparameter kan dus geschat worden (zie Inleiding) als η = 0,07. Let op dat een volledig geordende bismide met deze totale Bi-concentratie de ordeparameter η = 0,116 zou hebben. Soortgelijk aan HAADF-analyse, lijdt EDX-kwantificering van individuele kolommen onder channeling-effecten, aangezien het ionisatiepotentieel van kern-elektronen sterk gelokaliseerd is. Zoals getoond door andere auteurs in Al_xGa_1-xAs legering, kan dit resulteren in tot ~ 5% röntgen-tellingen standaardafwijking door verschillende dopantconfiguraties. Rekening houdend met de afwijking, worden de röntgen-tellingen nog steeds lineair geschaald met een aantal dopanten in niet-te-dikke monsters. De configuratiefout in de huidige studie wordt geminimaliseerd door effectief te gemiddelen over ~ 11 atomaire kolommen in elk (111) vlak, voor een totaal van ~ 130 kolommen. Daarnaast kunnen elektronenproefstaarten en meervoudige verstrooiing signaaldelocalisatie in EDX-beelden produceren. HAADF-beeldsimulaties in de vorige sectie die variatie van de Ga-SCS-waarden tonen, geven een aanwijzing van de verwachte omvang van deze effecten in de EDX-kwantificatie. De schietruis lijkt momenteel de hoofdnauwkeurigheidsbeperkende factor te zijn door inherent lage Bi-röntgen-tellingen in dergelijke verdunte legeringen.

Het laatste GaAsBi-monster, S3, dat we hier willen verkennen, werd gesynthetiseerd onder condities om zogenaamde verticale compositiemodulaties (VCM) te creëren. In tegenstelling tot monsters S1 en S2, wordt de VCM in S3 bereikt door een langzamere substraatrotatiesnelheid (RPM) te gebruiken, die gekoppeld is aan intrinsiek inhomogene elementaire fluxprofielen die het substraat bereiken in een typische MBE-kamer. De III/V elementaire verhouding binnen een monsterregio kan oscilleren door de RPM en de filmgroesnelheid te controleren om de gewenste VCM-periode te verkrijgen. Een verticale spiraal met betrekking tot Bi-concentratie kan op deze manier in GaAsBi verkregen worden, zoals goed uitgelegd in M.A. Stevens et al. Een dwarsdoorsnede HAADF-beeld van het GaAsBi-monster S3 wordt getoond in Fig. 5a, gegroeid op een (001) GaAs-substraat geroteerd 5 RPM en 300 nm/u groeisnelheid. Totale bismuth-samenstelling in het onderzochte monstergebied werd bepaald op 2,8% Bi met behulp van kamertemperatuur PL. De VCM is zichtbaar met een goed gedefinieerde superrooster-achtige verschijning. De neiging tot CuPt_B ordening is ook zichtbaar in deze afbeelding, en hier ondergaat het de additionele verticale modulatie. De inset rechtsboven toont Fourier-transformatie van de afbeelding met pijlen die het paar strepen markeren, wat resulteert uit Bi-inhoudmodulatie langs de [\overline{1}10] richting op elke tweede vlak en dienovereenkomstig verminderde omvang van (111)-type geordende vlakken langs [001].

Het monster werd ook onderzocht met atomaire-schaal elementaire EDX-mapping. Figuur 5b toont overgelegde genormaliseerde en kleurgecodeerde röntgensignalen van Bi-M (groen), As-K (blauw) en Ga-K (rood). De corresponderende elementaire Wiener-gefilterde maps worden getoond in SI Fig. S5. De piek-tot-piek-afstand tussen Bi-rijke regio's is 1,7 nm, wat aangeeft dat de VCM-periode ~ 3 roosterconstanten is. De piekposities lijnen niet op een enkele Bi-rijke (001) vlak. Deze offset weerspiegelt dat Bi-atomen met hogere concentraties verdeeld zijn over 2–3 groep-V (001) atomaire vlakken, wat duidelijker is in het HAADF-beeld (Fig. 5a). Figuur 5c toont 4 VCM-perioden door verticale Bi-M en As-K lijnenprofielen van horizontaal opgetelde tellingen in een 5 nm brede venster uit de 3 × 3 gebinde rauwe EDX-data te plotten. Ondanks de signaalruis, lijkt het As-K röntgen-tellingenprofiel omgekeerd evenredig te volgen het Bi-M-profiel met kleine dieptes bij Bi-gerijke regio's. Een dergelijke correlatie tussen substitutie-element en het gastheerelement röntgensignalen kan in de toekomst benut worden bij atomaire-schaal EDX-analyse van verdunte legeringen.

Conclusies

Drie verschillende bulk GaAsBi-monsters met betrekking tot Bi-verdelingsmodi werden in deze studie onderzocht met STEM-technieken. De kwantificering van verstrooiingsdoorsnedes werd toegepast op een GaAs-GaAsBi hetero-diode gegroeid op conventioneel (001) GaAs, wat atomaire scherpe interface en vroege CuPt_B-type ordeningsaanvang toonde. Numerieke multislice-beeldsimulaties binnen de bevroren-fonon thermische verstrooiingsbenadering werden gebruikt om GaAsBi HAADF-beelden te onderzoeken. Het toonde aan dat door channeling, configuratie-Bi-variaties kunnen vertalen in schijnbare compositionele variaties. Om kolom-per-kolom Bi-atoomtelling uit te voeren, zou dus numerieke beeldanalyse vereisen. EDX-mapping werd gepresenteerd van een enkelvoudig geordend verdund GaAsBi-monster gegroeid op een afgeschuind substraat. Om de configuratiefouten in elementaire EDX-kwantificering te vermijden, werden de röntgensignalen gemiddeld over veel kolommen in (111) atomaire vlakken, en de ordeparameter werd geschat op η = 0,07 in dit monster. De atomaire-resolutie HAADF en EDX werden ook gebruikt om een VCM GaAsBi-film geanalyseerd die gesynthetiseerd werd met een lage substraatrotatiesnelheid. Dit monster toonde Bi-inhoudmodulatie in de [001] as met een periode van drie roosterconstanten naast de CuPt_B ordening. Ten slotte werd bulplasmon-energie-mapping met gemonochromeerde EELS uitgevoerd op een GaAs-GaAsBi hetero-diode. Aangezien de plasmon-energieverschuiving in verdunde GaAsBi gerelateerd is aan eenheidscel-volumeveranderingen, biedt dit een eenvoudige methode om XRD-gebaseerde technieken te complementeren om lokale spanningstoestand in GaAsBi-legeringen te onderzoeken.