Udforskning af nanotrådes indre hemmeligheder

(Phys.org) — Halvleder nanotråde (NW'er) er forsvindende små:NW'er fra en nylig batch lavet af forskere i PML's Quantum Electronics and Photonics Division måler omkring 200 nanometer i diameter (mindre end 1/500 af tykkelsen af ​​et menneskehår) og 6 til 10 mikrometer lang, med indlejrede lag så tynde som 3,3 nm. Men på trods af deres størrelse halvleder NW'er er klar til at spille en meget stor rolle i solid-state belysning, kemiske sensorer, og nanoskala videnskabelige sonder.

Først, imidlertid, forskere skal bestemme, hvordan man fremstiller højeffektive NW lysdioder (LED'er), der er pålideligt ensartede i sammensætning og morfologi, hver med det samme optiske emissionsspektrum og andre kritiske egenskaber. Og det, på tur, vil kræve en detaljeret forståelse af, hvordan man opnår den optimale placering og lokalisering af forskellige atomarter, efterhånden som tråden og dens forskellige lag dannes.

Nu Norman Sanford og kolleger fra Optoelectronic Manufacturing Group, med samarbejdspartnere på Colorado School of Mines, har gjort store fremskridt mod dette mål i en ny undersøgelse. De brugte gruppens signatur molekylære stråle epitaxy (MBE) metode til at dyrke GaN nanotråde med tynde lag InGaN indlejret med mellemrum. For at bruge sådan en NW som lyskilde, en spænding påføres ledningen, og InGaN-sektionerne danner kvantebrønde, der fanger elektronhulspar, som rekombineres for at producere luminescens.

"Kvantebrønden gør denne rekombinations-luminescensproces meget mere effektiv, end hvis du bare havde en simpel, brat p-n kryds i GaN, " siger Sanford. "Men, for at være en effektiv kilde til luminescens inden for et smalt bølgelængdebånd, kvantebrønden skal forblive kompakt og ensartet. Hvis indium diffunderer til omkringliggende områder, brønden bliver spredt ud, og det vil ikke fungere effektivt. Forskellige rumlige dele med forskellige indiumkoncentrationer vil have forskellige båndgab og har derfor en tendens til at udsende lys ved forskellige bølgelængder. Vi ønskede at undersøge, hvilke faktorer der påvirker, om en brønd forbliver lokaliseret eller spredes, mens strukturen vokser."

Optimale vækstbetingelser for de separate GaN- og InGaN -segmenter kan være forskellige. Så forskerne fremstillede forskellige NW'er over en række temperaturer og molekylære stråleegenskaber, og undersøgte derefter, hvilken effekt disse betingelser havde på brøndene. For at gøre det, de brugte en version af en teknik kaldet laser-assisteret atom probe tomography (L-APT). I et ultrahøjt vakuumkammer ved ca. 54 K, en konstant høj spænding påføres en NW. På samme tid, energi fra en pulserende ultraviolet laser rettes mod ledningens ekstreme spids. Atomer på spidsen ioniserer, trækkes fra spidsen under det høje elektriske felt, og rejse til en todimensionel iondetektor cirka 90 mm væk.

Detektoren registrerer placeringen af ​​hver ankommende ion; derefter ved at bruge laserimpulserne som tidssignaler, forskere kan bestemme hver ions flyvetid-og dermed forholdet mellem ladning og masse. Ionpåvirkningsbegivenhederne på detektoren kortlægges tilbage til deres oprindelse fra prøvespidsen, og de akkumulerede data bruges til at opbygge et tredimensionelt billede af den kemiske sammensætning af hver del af tråden.

Gruppen fandt, at tråddannelsesforhold havde en meget signifikant effekt på lokaliseringen af ​​InGaN-lag. "Det er muligt at fremkalde diffusion og spredning af InGaN -lagene, hvis vækstbetingelserne for de efterfølgende GaN -lag ikke justeres korrekt for at sikre, at InGaN -regionerne forbliver intakte, " siger Sanford. "I nogle tilfælde finder vi ud af, at konsolideringen af ​​InGaN-lagene kan ødelægges under den efterfølgende vækst af et GaN-segment - selv uden nogen åbenlyse ydre tegn på dette afsløret i nanotrådene. I øvrigt, de InGaN-kvanteboringer, der forbliver lokaliserede, findes i form af tynde koniske InGaN-skaller indlejret i GaN-nanotråde (og aksialt koncentriske med dem) snarere end flade skive-lignende strukturer.

"L-APT er særligt velegnet til at vise en 3D-gengivelse af InGaN kvantebrøndene og fordelingen af ​​indium i hele nanotrådsenheden. Så vidt vi ved, dette er første gang L-APT er blevet brugt til at undersøge virkningen af ​​vækstprocesvariationer i undersøgelsen af ​​disse strukturer. "Resultaterne var i god overensstemmelse med NW-målinger foretaget ved en anden sammensætnings-afslørende teknik, højopløsnings transmissionselektronmikroskopi.

Forskerne fandt også ud af, at forskellige L-APT-parametre, såsom laserpulsenergi, kan forårsage falske målinger af det tilsyneladende forhold mellem gallium og indium og nitrogen, hvilket indikerer en tilsyneladende (men ikke -fysisk) overflod af metalbestanddele sammenlignet med nitrogen. Dette fænomen, forskerne spekulerer, kan skyldes høje laserpulsenergier, der får neutrale nitrogenatomer til at desorbere fra NW. Disse atomer ville ikke blive talt af iondetektoren.

Ikke overraskende, det er ualmindeligt svært at manipulere individuelle nanotråde af disse dimensioner. Til L-APT-analysen, en wolframmanipulator sonde blev "svejset" med platin til en enkelt tråd. Derefter blev tråden placeret i et hul boret i prøveposten og svejset ind. Til sidst, manipulatorsonden blev revet af, lad NW stå lodret på stolpen og klar til L-APT analyse.

"Sandsynligvis er den største udfordring at komme med et pålideligt monteringsskema, så prøverne overlever hele L-APT-analyseprocessen uden at bryde katastrofalt, " siger Sanford. "Det krævede snesevis af prøvemonteringsforsøg for at opnå de præsenterede resultater. Problemet opstår, da den elektriske feltstyrke ved spidsen af ​​prøven under drift er i størrelsesordenen 10 V/nm. Det er et ret højt elektrisk felt, men det skal være så højt for at rive ioner og klynger af ioner lige ud af prøvespidsen til efterfølgende time-of-flight massespektral analyse. Vi arbejder stadig på at forbedre prøvemonteringsskemaet for at gøre det mere pålideligt og overlevelsesdygtigt."

Men for nu, "selv med den sandsynlige tvetydighed i den absolutte 3D -koncentrationskortlægning af nitrogen, "siger Sanfords kollega Kris Bertness, leder af projektet Semiconductor Metrology for Energy Conversion, "det er klart, at den L-APT-opløste 3D-kortlægning af gallium og indium har, for første gang, leveret væsentlig information til at hjælpe med at guide vækstprocessen for disse vigtige GaN/InGaN nanoskala heterostrukturer."