Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/8572
Title: MBE growth of self-assisted GaAs nanowires and their characterization
Other Titles: Crescita e caratterizzazione di nanofili semiconduttori
Authors: Ambrosini, Stefano
Keywords: MBE, nanofili, GaAs, nanotecnologia
Issue Date: 9-Apr-2013
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Prefazione: La ricerca nel campo dei nanofili appartiene ancora al laboratorio e non all’industria. Cionondimeno, i nanofili sono oggetto di grande attrazione nella comunità scientifica e nanotecnologica, sia per il loro elevato “aspect ratio”, che per le loro capacità semiconduttrici. Il primo ne fa buoni candidati per usi di sensoristica e interazione con la luce, le seconde potrebbero invece sfruttate per la miniaturizzazione di componenti (opto)elettronici. Il GaAs è un materiale semiconduttore III-V con un band-gap diretto di 1,43 eV a temperatura ambiente. Il suo band gap ne fa un materiale più pregiato del silicio, rispetto al quale ha una minore sensibilità al calore ed una maggiore mobilità elettronica. Tali pregi sono accompagnati da un prezzo maggiore, che oggigiorno limita l’uso del GaAs nei componenti optoelettronici a più alta qualità, come per esempio negli usi satellitari. La sintesi di nanofili di GaAs di alta qualità è una possibiità intrigante per combinare le qualità superiori del GaAs con il minor costo del silicio e della sua tecnologia. L’epitassia da fascio molecolare è una tecnica per sintetizzare materiali con la massima purezza. Operando a pressioni minori di 1E-10 Torr, essa è ideale per la ricerca scientifica e per la sintesi di prodotti di altissima qualità. I prezzi di tali caratteristiche sono un’estrema delicatezza dell’apparato ed un controllo maniacale delle condizioni di crescita per assicurare riproducibilità dei risultati. All’inizio del 2009, la comunità di crescitori di nanofili era alle prese con alcune problematiche riguardanti la scelta di un materiale diverso dall’oro per assistere la crescita e conseguentemente di un substrato acconcio; ulteriori complicazioni alla sintesi di nanofili di alta qualità è(ra) il politipismo cristallino dei nanofili di GaAs. L’uso di oro nella sintesi di nanofili comporta inquinamento chimico responsabile di difetti nel materiale e la presenza di nanoparticelle di oro all’estremità dei nanofili li rende non compatibili con la tecnologia del silicio. Con attenzione sul GaAs, a quel tempo non c’era ancora un substrato di semplice preparazione per la crescita di nanofili di GaAs su GaAs e i difetti cristallini erano una piaga presso che impossibile da eliminare. La mia tesi di dottorato è stata votata allo studio di queste due problematiche. Abbiamo studiato un protocollo semplice per la realizzazione di substrati di GaAs capaci di ospitare la crescita di nanofili di GaAs in assenza di Au, depositando uno strato subnanometrico di silicio su substrati deossidati di GaAs ed espondendoli quindi all’aria. Più semplice ancora, la deposizione di Si direttamente su substrati GaAs epiready si è dimostrata altrettanto efficace. Abbiamo affrontato il problema del politipismo cristallino sia durante la crescita, investigando le relazioni tra parametri di crescita e struttura cristallina dei nanofili, sia dopo la crescita, cercando di alterarla tramite riscaldamento. Abbiamo così scoperto che condizioni ricche in As durante la crescita assistita da Ga favoriscono la struttura cristallina wurtzite, al contrario della più stabile struttura zincoblenda, propria del GaAs di bulk. Il protrarsi di condizioni ricche in As portano quindi alla estinzione della nanoparticella di Ga. In collaborazione con dr. Jakob B. Wagner (DTU CEN, Copenaghen, Danimarca), dott. mag. Damiano Cassese ed il gruppo di ricerca di dr. Marco Lazzarino (IOM CNR, Trieste, Italia) abbiamo scoperto che un periodo di riscaldamento di cento ore in flusso di As è capace di alterare la struttura wurtzite di nanofili assistiti Au in zincoblenda. Tale scoperta è stata in principio fatta tramite microscopia elettronica in trasmissione e quindi confermata per mezzo di spettroscopia Raman. Abbiamo studiato la crescita di nanofili di GaAs in assenza di nanoparticella. In collaborazione con dott. mag. Giacomo Priante (IOM CNR, Trieste, Italia) e prof. Vladimir G. Dubrovskii (SPBAU, San Pietroburgo, Russia) abbiamo trovato che anche dopo la totale consunzione della nanoparticella di Ga, i nanofili possono riprendere la crescita in modo assistito da Ga. Altri studi di minore entità sono stati condotti, come la crescita di nanofili di Si su GaAs senza catalizzatore, lo studio di nanotubi in carbonio contenenti nanoparticelle di catalizzatore, lo studio di microscopia elettronica in trasmissione della crescita laterale dei nanofili, l’effetto di “optical limiting” esercitato da sistemi ibridi. I risultati di questi studi, stonando nella logica della tesi, sono presentati in appendice. Altresì, in appendice è raccolta una sistematica della crescita di nanofili di GaAs. Durante i beam times ad ELETTRA, il Sincrotrone di Basovizza, Trieste, il mio lavoro è stato principalmente votato alla sintesi di nanofili di GaAs drogati Si sui substrati di cui sopra. I nanofili sono stati studiati con spettroscopia a raggi X risolta spazialmente sulla linea di luce ESCAMICROSCOPY, in collaborazione con dr. Mattia Fanetti e lo staff della linea di luce. La prima sessione di esperimenti ha mostrato che i nanofili assisiti da Ga sono meno conduttivi degli assistiti da Au per lo stesso drogaggio nominale. La seconda tranche di esperimenti ha permesso la comprensione del meccanismo di incorporazione delle impurezze di Si durante la crescita mediante lo studio della posizione del livello di Fermi nella band gap dei nanofili di GaAs. Abbiamo così capito che alterando il rapporto As/Ga e senza cambiare la temperatura di crescita (andando cioè a crescere in assenza di nanoparticella) è possibile realizzare eterogiunzioni radiali p-n di alta qualità, con la stessa quantità di drogante.
Abstract: Although still belonging to the laboratory world, nanowires are the object of a big attraction in scientific community for their exploitation in technological devices. Two of the most alluring aspects of nanowires are their high aspect ratio, which makes them candidates for sensing uses as well as light harvesting, and their semiconducting nature, that puts forward their employment for nanoscale transistors and logic units. GaAs is a well-known III-V semiconductor material with a direct band-gap of 1.43 eV at room temperature. It has better properties than Si, such as a large direct band- gap, which also provides lower sensibility to heating, and higher electron mobility. Despite its higher cost, GaAs is nowadays commonly used for highest performance logic units and optoelectronics. The synthesis of high quality GaAs nanowires and their implementation on Si technology encourages the idea of putting together the superior GaAs with the cheaper Si. Molecular beam epitaxy is a growth technique that offers the highest possible purity by means of ultra high vacuum growth regime (base pressure < 1E-10 Torr). It is, therefore, ideal for both research and high quality products. Prices of such advantages are an extreme delicateness of the setup and a maniacal control of the growth conditions, to ensure reproducibility in scientific results. At the beginning of 2009, the nanowire grower community was facing some issues such as the choice of a material different from gold assisting the nanowire growth, the growth substrate and the crystal polytypism. The use of Au as the assistant nanowire growth material had two main drawbacks. Firstly, the verified pollution with Au of the growing nanowires would create defects in the material; secondly, the presence of Au nanoparticles at the nanowire free end would make them non- compatible with Si-based technology. Focusing on GaAs, there was no simple protocol for the substrate treatment in order to trigger the Au-free one-dimensional nanowire growth on GaAs. Nanostructure crystal defects were almost impossible to avoid. My Ph.D. work has been devoted to the study of these problems. We studied a simple protocol to obtain GaAs nanowires on GaAs by MBE. We proved that a sub-nanometric Si layer epitaxially deposited on the deoxidized GaAs surface followed by atmospheric oxidation, or direct Si deposition onto epiready GaAs wafers is able to trigger Ga assisted GaAs nanowire growth. We tackled the nanowire polytypism issue both in a “during growth” action, by studying the effects of the growth parameters on the nanowire crystal structure; and with an “after growth” action, by attempting to change the nanowire crystal structure by thermal annealing after the growth itself. In particular we found that As rich conditions during Ga assisted GaAs nanowire growth leads to a favored wurtzite structure as compared to the default zincblende lattice of the bulk GaAs material. Eventually, As rich conditions lead to the total Ga nanoparticle consumption. In collaboration with dr Jakob B. Wagner (DTU CEN, Copenhagen, Denmark), dott. mag. Damiano Cassese and the research group of dr. Marco Lazzarino (IOM CNR, Trieste, Italy), we discovered that a 100 hours long nanowire annealing step under As flux is capable of transforming the wurtzite structure of Au assisted GaAs nanowires in zincblende. This was carried out by means of transmission electron microscopy and was double checked by means of Raman spectroscopy. We studied the growth of GaAs nanowires in absence of growth assisting droplet. In collaboration with dott. Giacomo Priante (IOM CNR, Trieste, Italy) and prof. Vladimir G. Dubrovskii (SPBAU, Saint Petersburg, Russia), we found that after the total consumption of the Ga nanoparticle, GaAs nanowires can resume the Ga assisted growth. Other minor projects such as, the MBE growth of self catalyzed Si nanowires on epiready GaAs, the TEM study of catalyst-embedded carbon nanotubes bundles, TEM study of the nanowire shell overgrowth, optical limiting effect of hybrid systems were pursued. This information, not fitting in the thesis logic, along with systematics of the Ga assisted GaAs nanowire growth are placed in the appendixes. When being assigned beam time at the ELETTRA Synchrotron facility in Trieste, my work has mainly been the synthesis of Si-doped GaAs NWs on our innovative substrates. Nanowires were then studied in spatially resolved X-ray photoemission spectroscopy experiments on the ESCAMICROSCOPY beamline, performed in collaboration with dr. Mattia Fanetti and the ESCAMICROSCOPY staff. The first measurement set showed that Ga assisted nanowires exhibit a much weaker conductivity than their Au catalyzed counterparts, for the same two- dimensional nominal doping. The second set of experiments gave details about the incorporation of Si in nanowires during the growth, by the detection of the Fermi level in the energy gap. We realised that by tuning the As/Ga flux ratio without need of changing the growth temperature (i.e., shifting from vapor-liquid-solid to vapor- solid regime) and for the same impurity flux, core-shell p-n junctions could be synthesized, with a high uniformity grade along the whole nanowire length.
Description: 2011/2012
URI: http://hdl.handle.net/10077/8572
NBN: urn:nbn:it:units-9977
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