Baner en vej til at opnå uudforskede halvledernanostrukturer

Et forskerhold fra Ehime University banede en måde at opnå uudforskede III-V halvleder nanostrukturer. De dyrkede forgrenede GaAs nanotråde med et ikke-toksisk Bi-element under anvendelse af karakteristiske strukturelle modifikationer korreleret med metalliske dråber, samt krystallinske defekter og orienteringer. Fundet giver et rationelt designkoncept til skabelse af halvledernanostrukturer med koncentrationen af ​​bestanddele ud over den fundamentale grænse, hvilket gør det potentielt anvendeligt til nye effektive nær-infrarøde enheder og kvanteelektronik.

Nanotråd er en stangstruktur med en diameter, der typisk er smallere end flere hundrede nanometer. På grund af sin størrelse og struktur, det udviser karakteristiske egenskaber, som ikke findes i større bulkmaterialer. Studiet af III-V halvleder nanotråde har tiltrukket sig stor interesse i de seneste årtier på grund af deres potentielle anvendelse i nanoskala kvante, fotonisk, elektronisk, og energiomdannelse, og i biologiske enheder, baseret på deres endimensionelle karakter og store overflade til volumen-forhold. Indførelsen af ​​en epitaksial heterostruktur letter kontrol af sådanne anordningers transport og elektroniske egenskaber, viser potentialet for at realisere integrerede systemer baseret på III-V forbindelser og Si med overlegne elektroniske og optiske funktioner.

III-V sammensatte halvledere er en af ​​de højeste i mobilitet og foton-elektronkonverteringseffektivitet, der findes. Blandt dem, GaAs er en repræsentativ III-V sammensat halvleder, som bruges til højhastighedstransistorer, samt højeffektive nær-infrarøde lysdioder, lasere, og solceller. Optiske enheder baseret på III-V GaAs lider af iboende tab relateret til varmeudvikling. For at omgå dette, Brugen af ​​fortyndet bismid GaAsBi-legering med et ikke-toksisk Bi-element har for nylig vundet opmærksomhed, fordi introduktionen af ​​Bi undertrykker varmedannelsen, mens den øger effektiviteten af ​​elektron-lyskonvertering. Derfor, at inkorporere fortyndet bismid GaAsBi-legering i nanotråde er en rationel tilgang til udvikling af højtydende optoelektroniske nanoenheder. I mellemtiden forgrenede eller trælignende nanotråde tilbyder en tilgang til at øge den strukturelle kompleksitet og forbedre de resulterende funktioner, som igen muliggør realiseringen af ​​strukturer med højere dimensionalitet, lateral forbindelse, og sammenkobling mellem nanotrådene.

Ved at bruge en atomisk præcis krystalvækstteknik kaldet molekylær stråleepitaksi, Ehime University-gruppen kontrollerede dannelsen af ​​Bi-inducerede nanostrukturer i væksten af ​​forgrenede GaAs/GaAsBi kerne-skal nanotråde. Dermed, de banede en vej til at opnå uudforskede III-V halvleder nanostrukturer ved at anvende den karakteristiske overmætning af katalysatordråber, strukturelle modifikationer induceret af belastning, og inkorporering i værts-GaAs-matrixen korreleret med krystallinske defekter og orienteringer.

Den videnskabelige artikel, der præsenterer deres resultater, blev offentliggjort den 17. september i tidsskriftet Nano bogstaver .

Gruppen havde tidligere opnået GaAs/GaAsBi heterostruktur nanotråde på Si med en 2 procent mindre Bi-koncentration end den tidligere rapport. Nanotrådene udviste specifikke strukturelle træk, have en ru overflade med bølger, som sandsynligvis var induceret af den store gittermismatch og resulterende belastningsakkumulering mellem GaAs og GaAsBi-legeringen. Også, Bi fungerer som et overfladeaktivt middel til at kontrollere overfladeenergien, dermed fremkalde syntesen af ​​nanostrukturer. Imidlertid, virkningen af ​​Bi-introduktionen på GaAsBi-legeringsvæksten er langt fra at være fuldstændig forstået. I rapporten, de undersøger funktionerne og vækstmekanismerne for GaAs/GaAsBi kerne-skal flerlags NW'er på Si (111) substrater, med fokus på den strukturelle deformation induceret af Bi. For at syntetisere forgrenede III-V nanotråde, konventionelt, metalliske katalysator nanopartikler, oftest Au, anvendes som kernedannelsesfrø til væksten af ​​grenene. På den anden side, gruppen brugte selvkatalysator Ga- og Bi-dråber, som kan undertrykke urenhedsintroduktionen af ​​ikke-bestanddele. Når Ga er mangelfuld under vækst, Bi akkumuleres på toppunktet af kerne GaAs nanotråde og fungerer som en nanotrådvækstkatalysator for de forgrenede strukturer til specifik krystallinsk azimut. Der er en stærk sammenhæng mellem Bi-akkumulering og stablingsfejl. Desuden, Bi er fortrinsvis inkorporeret på en begrænset GaAs-overfladeorientering, fører til rumligt selektiv Bi-inkorporering i et begrænset område, der har en Bi-koncentration på 7 procent over den fundamentale grænse. Den opnåede GaAs/GaAsBi/GaAs-heterostruktur med grænsefladen defineret af de krystallinske tvillingedefekter i et atomlag, som potentielt kan anvendes på en kvantebegrænset struktur.

Fundet giver et rationelt designkoncept til skabelse af GaAsBi-baserede nanostrukturer og styring af Bi-inkorporering ud over den grundlæggende grænse. Disse resultater indikerer potentialet for en ny halvleder-nanostruktur til effektive nær-infrarøde enheder og kvanteelektronik.