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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/3097

Title: III-V semiconducting nanowires by molecular beam epitaxy
Authors: Jabeen, Fauzia
Supervisor/Tutor: Franciosi, Alfonso
Rubini, Silvia
Issue Date: 8-Apr-2009
Publisher: Universit√† degli studi di Trieste
Abstract: This thesis is devoted to the study of the growth of III-V nanowires (NWs) by catalyst assisted and catalyst free molecular beam epitaxy (MBE). The nanostructures have been routinely characterized by scanning electron microscopy (SEM) and, to a minor extent by transmission electron microscopy (TEM). X-ray photoemission spectroscopy (XPS), scanning photoemission microscopy (SPEM), extended X-ray absrorption fi ne structure analysis (EXAFS), photoluminescence (PL) and trans- port measurements have given an important contribution on specifi c topics. The first section of this thesis reports on GaAs, InAs, and InGaAs NWs growth by Au assisted MBE. A substrate treatment is proposed that improves uniformity in the NWS morphology. Thanks to a careful statistical analysis of the NWs shape and dimensions as a function of growth temperature and duration, evidence is found of radial growth of the NWs taking place together with the axial growth at the tip. This eff ect is interpreted in term of temperature dependent diff usion length of the cations on the NWs lateral surface. The control of the NWs radial growth allowed to grow core shell InGaAs/GaAs NWs, displaying superior optical quality. A new procedure is proposed to protect NWs surface from air exposure. This procedure allowed to perform ex-situ SPEM studies of electronic properties of the NWs. The second part of this thesis is devoted to Au-free NWs growth. GaAs and InAs NWs were successfully grown for the first time using Mn as catalyst. Incorporation of Mn in the NW is studied using EXAFS technique. It is shown that Mn atoms are incorporated in the body of GaAs NWs. Use of low growth temperature is suggested in order to improve the Mn incorporation inside GaAs NWs and obtain NWs with magnetic properties. Finally, growth of GaAs and InAs NWs on cleaved Si subtrate is demonstrated without the use of any outside metal catalyst. Two kinds of nanowires have been obtained. The experimental findings suggest that the two types of nanowires grow after di fferent growth processes.
Questa tesi e' dedicata allo studio della crescita di nanofili di semiconduttori III- V tramite epitassia da fasci molecolari (MBE) assistita da catalizzatore e senza l'uso di catalizzatori. Le nanostrutture sono state caratterizzate sistematicamente tramite microscopia elettronica a scansione (SEM), e in maniera minore microscopia elettronica in trasmissione (TEM). Altre tecniche come la spettroscopia di fotoemissione da raggi x (XPS), la microscopia da fotoemissione in scansione (SPEM), la spettroscopia di assorbimento x (in particolare la extended X-ray absorpition fine structure analysis (EXAFS)) la fotoluminescenza (PL), e il trasporto elettrico hanno dato importanti contributi su problematiche specifiche. La prima parte di questa tesi riguarda la crescita di nanofili di GaAs, InAs e InGaAs tramite MBE assistita da oro. Viene proposto un trattamento del substrato che migliora nettamente l'omogeneita' morfologica dei nanofili. Grazie ad un'attenta analisi statistica della forma e delle dimensioni dei nanofili in funzione della temperatura e del tempo di crescita e' stata dimostrata la crescita radiale dei nanofili, che avviene insieme alla crescita assiale che ha luogo alla punta del nanofilo. Le osservazioni sperimentali sono state interpretate in termini di dipendenza dalla temperatura della lunghezza di diffusione dei cationi sulle super ci laterali dei nanofili. Il controllo della crescita radiale ha permesso di crescere nanofili di InGaAs/GaAs core shell, costituiti cioe' da una anima centrale di InGaAs (core) e uno strato esterno di GaAs (shell) , che hanno dimostrato eccellente qualita' ottica. Viene quindi proposta una nuova procedura per proteggere la super ficie dei nanofili durante l'esposizione all'aria. Grazie a questa e' stato possibile realizzare ex-situ uno studio SPEM delle proprieta' elettroniche dei nanofili. La seconda parte della tesi riguarda la crescita di nanofili senza l'uso di oro. Viene per la prima volta dimostrata la possibilita' di crescere nanofili di GaAs e InAs usando il manganese come catalizzatore. L'incorporazione del Mn come impurezza nei nanofili e' stata studiata tramite EXAFS. Le misure hanno dimostrato che atomi di Mn sono effettivamente incorporate nel corpo dei nano fili. La crescita delle nanostrutture a temperatura piu' bassa potrebbe migliorare qualitativamente l'incorporazione del Mn e permettere la crescita di nanofili con proprieta' magnetiche. Viene in fine dimostrata la crescita di nanofili di GaAs e di InAs senza l'utilizzo di materiali diversi da quelli costituenti il semiconduttore. Tale risultato e' ottenuto su superfici sfaldate di silicio. Sono state osservate nanostrutture di due tipi, che sulla base dei dati sperimentali sembrano essere dovuti a due diversi meccanismi di crescita.
PhD cycle: XXI Ciclo
PhD programme: NANOTECNOLOGIE
Description: 2007/2008
Keywords: Molecular beam epitaxy, Nanowires, Au-catalyzed, Mn-catalyzed, self-catalyzed, Growth model, Vapour Liquid Silod (VLS) growth mechanism, Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Photoemission Spectroscopy (XPS), Transmission Electron Microscopy (TEM), Energy X-ray Dispersive Spectroscopy (EDX), Photoluminescence (PL), Axial and radial growth, Core shell nanowires, Capping-protection layer, Surface analysis, Photoemission spetromicroscopy, Conductance, Size dependence, Zincblend, Wurtzite, Hexagonal, Cylindrical, Pencil-like, Droplet, Facets, Tapered,
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: FIS/03 FISICA DELLA MATERIA
NBN: urn:nbn:it:units-7434
Appears in Collections:Scienze fisiche

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