Advanced

Influence of Seed Particle Material, Preparation, and Dynamics on Nanowire Growth

Hillerich, Karla LU (2013)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Många material är kristallina – inte bara ädelstenar, utan även alla metaller och keramiska material består av kristaller. Till och med många proteiner och t.ex. acetylsalicylsyra, basen till aspirin, bildar kristaller. När någonting kallas kristallint menar man att atomerna sitter på särskilda platser och i en bestämd, regelbunden ordning. De flesta material är polykristallina, vilket betyder att de består av många små kristaller. Däremot är det inte så enkelt att producera enkristallina material, d.v.s. en hel bit som bara består av en kristall. I vår forskning bedriver vi växt av enkristaller – väldigt små enkristaller. De är endast några tiotals nanometer tjocka och några mikrometer långa och... (More)
Popular Abstract in Swedish

Många material är kristallina – inte bara ädelstenar, utan även alla metaller och keramiska material består av kristaller. Till och med många proteiner och t.ex. acetylsalicylsyra, basen till aspirin, bildar kristaller. När någonting kallas kristallint menar man att atomerna sitter på särskilda platser och i en bestämd, regelbunden ordning. De flesta material är polykristallina, vilket betyder att de består av många små kristaller. Däremot är det inte så enkelt att producera enkristallina material, d.v.s. en hel bit som bara består av en kristall. I vår forskning bedriver vi växt av enkristaller – väldigt små enkristaller. De är endast några tiotals nanometer tjocka och några mikrometer långa och de brukar kallas nanotrådar. En mikrometer är en tusendel av en millimeter och en nanometer är i sin tur en tusendel av en mikrometer.

Kristallerna vi producerar består av halvledande material. Ett halvledande material är ett ämne som bara leder ström under speciella förutsättningar. Laddningsbärarna, det vill säga elektronerna, kan inte passera ett energetiskt förbjudet område placerat mellan två tillståndsområden som är energetiskt tillåtna. I halvledare kan man ändra materialets egenskaper genom dopning, vilket innebär att man tillsätter (eller tar bort) elektroner. På det viset kan fler elektroner finnas tillgängliga för att t.ex. leda ström.

När kristaller är tillräckligt små påverkar deras storlek elektronernas rörlighet. I de nanotrådar som vi jobbar med begränsas rörligheten i två dimensioner och bara i en dimension kan elektronerna flytta sig helt fritt. Att nanotrådarna är så små gör också att man kan kombinera olika material på ett bättre sätt än i mer storskaliga strukturer. Man har visat att det är möjligt att bygga transistorer, solceller och även lysdioder (LEDs) av nanotrådar.

Hur växten av nanotråder fungerar och hur man kan kontrollera den står i fokus i denna avhandling. Nanotrådar växer på ett underlag, ett så kallat substrat. På grund av kristallordningen växer de i lodrät riktning i förhållande till substratets yta. För att få nanotrådar i stället för en stor kristall måste man se till att växten är snabbare på höjden än vad den är på bredden. Detta går att göra genom att man använder sig av så kallade odlingspartiklar. Atomerna som anländer till substratet stannar hellre vid en sådan partikel än någon annanstans på substratet. I partikeln stiger koncentration av ankommande atomer och partikeln övermättas efter en stund, vilket betyder att koncentrationen är högre än jämviktskoncentration, och material måste fällas ut. Då bildas en enkristall under partikeln och nanotråden växer fram samtidigt som den lyfter partikeln.

Sådana enkristallina trådar har man låtit växa med hjälp av metallpartiklar i många decennier (i storleksordningen nanometer i ungefär 20 år). Det vanligaste partikelmaterialet som används är guld. Guldpartiklar fungerar väldigt bra som odlingspartiklar av många olika skäl. Vi har ännu inte fullt ut förstått varför guld fungerar så bra, och exakt vad som behövs för att ett material ska lämpa sig som ett bra odligsämne är heller inte känt. En viktig fråga som jag försöker besvara i detta arbete är hur odlingspartikeln måste vara beskaffad för att fungera optimalt.

En del av mitt arbete har ängnats åt hur olika framställningsmetoder av guldpartiklarna påverkar nanotrådsväxten och deras egenskaper. Vi såg att det finns små skillnader i början av växten p.g.a. olika föroreningar, men i stort sett växer nanotrådarna lika bra från alla typer av guldpartiklar som vi jämförde. Vi fastställde dock att nanotrådarnas optiska egenskaper, d.v.s. hur de lyser när man utsätter dem för en elektronstråle, var ganska olika, beroende hur man hade framställt partiklarna.

Vi jämförde inte bara guldpartiklar med lite olika egenskaper utan bytte även material till koppar. Det är inte bara intresset av att förstå tillväxtprocessen utan även nödvändigten från ett industriellt perspektiv som driver forskningen till att ersätta guld. Guldet kan nämligen förstöra halvledarens egenskaper. Resultaten visar att det finns en stor skillnad mellan nanotrådsväxt från guld och från koppar. Det verkar som att kopparpartikeln på nanotråden ändrar sitt tillstånd flera gånger under växten, vilket leder till stora instabiliteter. I sådana fall kan man bara spekulera i vad som händer, eftersom vi bara kan titta på proverna efteråt. Tänk om man skulle kunna kika in i växtreaktorn...Våra samarbetspartners från IBM har sådana möjligheter. De har ett mikroskop som tål att man har gas i kammaren samtidigt som man tittar på något. Det betyder att vi kan titta på nanotråden medan den växer och således att vi kan observera vad som egentligen händer med partikeln under växten. Så upptäckte de t.ex. ett väldigt spännande förhållande vid gränsytan av partikeln och tråden som man inte hade kunnat föreställa sig om man inte hade sett det. På IBM har vi bland annat undersökt vad som egentligen är orsaken till att nanotrådarna ibland böjer sig när man kombinerar olika material. (Less)
Abstract
Semiconducting nanowires have attracted scientific attention for more than 20 years due to their potential applications in electronic devices, as sensors, and in solid state lighting. These applications require high quality nanowires to begin with. Achieving such good control over the growth of nanowires is not trivial and requires profound understanding of the underlying processes.

In this thesis, nanowires of different materials and combinations thereof have been grown with the help of seed particles by metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE). The focus of the investigations lies on the influence of several seed particle properties on nanowire growth.

First, we compared six particle preparation and deposition methods... (More)
Semiconducting nanowires have attracted scientific attention for more than 20 years due to their potential applications in electronic devices, as sensors, and in solid state lighting. These applications require high quality nanowires to begin with. Achieving such good control over the growth of nanowires is not trivial and requires profound understanding of the underlying processes.

In this thesis, nanowires of different materials and combinations thereof have been grown with the help of seed particles by metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE). The focus of the investigations lies on the influence of several seed particle properties on nanowire growth.

First, we compared six particle preparation and deposition methods for the most common seed particle material – gold - and their influence on the growth of GaAs nanowires. We observed only small differences, mainly in incubation times, which did not have a significant effect on the nanowire length after some growth time, though. The optical properties, however, varied between nanowires seeded by different particle types.

Further, copper as seed particle material for growth of InP nanowires and InP-InAs heterostructures was investigated. The aim was to get a deeper understanding of which properties or combination of properties determine a “good” seed particle material. InP nanowire growth from Cu particles differs a lot from nanowire growth from Au seed particles in terms of temperature range and precursor molar fractions. Furthermore, growth from two types of particles – Cu-rich and In-rich – occurs simultaneously at low V/III ratios. The investigations of InP-InAs heterostructures showed that it is indeed possible to grow straight heterostructures, but we observed unusual layer formation of the InAs segments.

Finally, we used the possibility of in situ TEM to investigate nanowire growth at the IBM T.J. Watson Research Center. We combined group IV and group III/V materials and investigated the particle dynamics that may lead to kinking. In addition, we investigated the instantaneous kinetics of GaP growth. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr. Fontcuberta i Morral, Anna, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Switzerland
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
metal-organic vapor phase epitaxy, III-V seminconductor materials, nanowires, Fysicumarkivet A:2013:Hillerich, in situ TEM
pages
94 pages
publisher
Department of Physics, Lund University
defense location
Lecture hall Rydbergsalen, Department of Physics, Professorsgatan 1, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2013-02-15 14:00
ISBN
978-91-7473-449-2
language
English
LU publication?
yes
id
ad901475-4573-4d88-9dcb-5814d72f5406 (old id 3405237)
date added to LUP
2013-01-23 13:09:45
date last changed
2016-09-19 08:45:07
@misc{ad901475-4573-4d88-9dcb-5814d72f5406,
  abstract     = {Semiconducting nanowires have attracted scientific attention for more than 20 years due to their potential applications in electronic devices, as sensors, and in solid state lighting. These applications require high quality nanowires to begin with. Achieving such good control over the growth of nanowires is not trivial and requires profound understanding of the underlying processes.<br/><br>
In this thesis, nanowires of different materials and combinations thereof have been grown with the help of seed particles by metal-organic vapor phase epitaxy (MOVPE). The focus of the investigations lies on the influence of several seed particle properties on nanowire growth. <br/><br>
First, we compared six particle preparation and deposition methods for the most common seed particle material – gold - and their influence on the growth of GaAs nanowires. We observed only small differences, mainly in incubation times, which did not have a significant effect on the nanowire length after some growth time, though. The optical properties, however, varied between nanowires seeded by different particle types. <br/><br>
Further, copper as seed particle material for growth of InP nanowires and InP-InAs heterostructures was investigated. The aim was to get a deeper understanding of which properties or combination of properties determine a “good” seed particle material. InP nanowire growth from Cu particles differs a lot from nanowire growth from Au seed particles in terms of temperature range and precursor molar fractions. Furthermore, growth from two types of particles – Cu-rich and In-rich – occurs simultaneously at low V/III ratios. The investigations of InP-InAs heterostructures showed that it is indeed possible to grow straight heterostructures, but we observed unusual layer formation of the InAs segments.<br/><br>
Finally, we used the possibility of in situ TEM to investigate nanowire growth at the IBM T.J. Watson Research Center. We combined group IV and group III/V materials and investigated the particle dynamics that may lead to kinking. In addition, we investigated the instantaneous kinetics of GaP growth.},
  author       = {Hillerich, Karla},
  isbn         = {978-91-7473-449-2},
  keyword      = {metal-organic vapor phase epitaxy,III-V seminconductor materials,nanowires,Fysicumarkivet A:2013:Hillerich,in situ TEM},
  language     = {eng},
  pages        = {94},
  publisher    = {ARRAY(0x839a560)},
  title        = {Influence of Seed Particle Material, Preparation, and Dynamics on Nanowire Growth},
  year         = {2013},
}