III–V Nanowire Surfaces

Abstract

This dissertation deals with the geometric and electronic structure of surfaces on III–V semiconductor nanowires

(NWs). NWs made of InAs, GaAs, and InP have been studied using scanning tunneling microscopy/spectroscopy

(STM/S), low energy electron microscopy (LEEM), photoemission electron microscopy (PEEM), and x-ray

photoelectron spectroscopy (XPS).

All of the mentioned techniques have been developed to study 2-dimensional samples and issues related with the

adaption to 3-dimensional nanostructures are discussed, together with solutions on how to overcome them.

Preparation techniques of NW samples for surface science studies, including an effective and seemingly non-destructive

deoxidation routine using atomic hydrogen have been developed.

Using STM/S, it has become possible to study the atomic arrangement at NW surfaces and evaluate the electronic

structure with very high spatial precision. NWs have been studied showing metallic surfaces due to step induced states,

Fermi level pinned surfaces, and unpinned surfaces allowing for general probing of NW properties. With the STM, it

was possible to image from micrometers along individual NWs down to the atomic scale evaluating, among other

things, tapering, surface morphology, and surface reconstructions.

Using LEEM/PEEM as a novel tool for NW studies, it has become possible to determine electronic and geometrical

properties of NWs using low energy electrons or photoelectrons. NW dopant incorporation, work function, and

surface atomic arrangement were studied. In addition, XPS was used to study NW surface chemistry and interfacial

chemistry for NWs covered in high-κ oxides

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Nanoteknologi handlar om att på ett kontrollerat sätt utnyttja strukturer med minst en

dimension i nanometerområdet (i storleksordningen 1 till 100 miljondels millimeter).

Nanostrukturer har använts under lång tid och redan under medeltiden användes

guldpartiklar av varierande storlek för att tillverka infärgade glas. Idag använder vi

nanoteknologi dagligdags, t.ex. i våra mobiltelefoner.

Sedan 60-talet har så kallade halvledarmaterial (främst kisel) revolutionerat vårt sätt att se

på världen genom de uppfinningar som de har gett upphov till, exempelvis datorer.

Halvledare är väldigt användbara då vi kan styra deras elektriska ledningsförmåga från

isolerande till nästan metalliska. Solceller, lysdioder, och transistorer bygger alla på

halvledarmaterial och klassiskt har dessa tillverkats (”odlats”) i två dimensioner (2D) med

olika funktionella lager ovanpå varandra. Under mer än 10 år har det i Lund forskats på

ett nytt sätt att odla halvledare: som nanotrådar. Nanotrådar har en diameter i

storleksordningen tiotals nanometer och kan vara 100 gånger längre än vad de är tjocka.

Att odla materialet i trådform har visat sig väldigt fördelaktigt då det bl.a. ger en

möjlighet att kombinera material som inte går att få att passa ovanpå varandra vid 2Dodling.

När saker görs mindre ökar andelen yta i förhållande till volym (bulk) och på grund av de

små tjocklekarna för nanotrådar är mängden yta i förhållande till bulk väldigt stor. Det

har en betydande påverkan på de elektroniska egenskaperna som härleds från hur

atomerna är placerade i materialet (kristallsymmetrin). Vid ytan bryts per definition

symmetrin och ytegenskaperna kommer därför skilja sig från de som finns inuti bulken.

Eftersom ytan är den plats vid vilken materialet interagerar med omvärlden är det av

yttersta vikt att veta dess egenskaper. Om man vet hur atomerna är arrangerade på ytan

och deras kemiska tillstånd har man goda möjligheter att t.ex. förutspå vilka gaser som

kan fastna på ytan, något som är viktigt vid tillverkning av sensorer.

I den här avhandlingen beskriver jag tillvägagångssätt för att använda klassiska

ytkaraktäriseringsmetoder för bestämning av atomers position samt deras elektroniska

egenskaper för flera olika sorters halvledarnanotrådar. Metoderna som jag har valt att

använda mig av är sveptunnelmikroskopi, lågenergielektronmikroskopi,

fotoemissionselektronmikroskopi, och fotoelektronspektroskopi.

I sveptunnelmikroskopi låter man elektroner tunnla – ett kvantmekaniskt fenomen där

elektronerna kan passera barriärer som de klassiskt inte borde kunna – mellan provet och

en atomärt skarp metallspets. Genom att flytta spetsen med oerhört hög precision

(noggrannhet på 1 miljarddels millimeter) går det att mäta hur många elektroner som

tunnlar på olika platser på provet. Med den informationen går det att visualisera var olika

atomer finns på ytan och deras elektroniska egenskaper.

I ett lågenergielektronmikroskop låter man elektroner med låg rörelseenergi interagera

med provet och genom att undersöka hur elektronerna sprids kan man bilda sig en

uppfattning om atompositioner på ytan. Ytkänsligheten kommer av att elektroner med

låg energi sprids väldigt lätt och kan därför bara interagera med de översta atomlagren i

provet.

I ett fotoemissionselektronmikroskop belyser man provet med högintensivt,

monokromatiskt, röntgenljus (synkrotronljus) vilket leder till emission av fotoelektroner.

Genom att studera varifrån elektroner med olika rörelseenergi emitteras går det att

bestämma vilka ämnen som finns på provet och var, deras kemiska tillstånd (t.ex. om de

är oxiderade), samt eletroniska egenskaper såsom utträdesarbete. Elektronerna som

studeras har även här låg energi vilket gör att metoden klassas som ytkänslig.

Fotoelektronspektroskopi fungerar på ett liknande sätt, där röntgenljus får infalla på ett

prov vilket leder till emission av elektroner. I fotoelektronspektroskopiuppställningen går

det att få mycket högre energiupplösning än i mikroskopiuppställningen vilket gör att

man t.ex. kan differentiera mellan olika oxider.

I avhandlingen har jag studerat nanotrådar av 3 olika halvledarmaterial: galliumarsenid

(GaAs), indiumarsenid (InAs), och indiumfosfid (InP). Dessa material besitter flertalet

egenskaper som gör dem högintressanta för framtida optik- och elektroniklösningar.

Exempelvis så rör sig elektroner väldigt snabbt i materialen (hög mobilitet) vilket gör att

de lämpar sig väl för höghastighetselektronik.

En intressant detalj med nanotrådar är att man kan ändra hur atomerna placerar sig i

materialet genom att ändra odlingsparametrar. Som nämndes tidigare bestämmer

atomernas position de elektroniska egenskaperna och de subtila skillnaderna mellan ett

material odlat i olika kristallstrukturer har länge debatterats. Genom att studera

nanotrådarna med flera olika tekniker hag jag kunnat utröna vad som händer både med

atomernas position och deras elektroniska egenskaper då kristallstrukturen varieras. De

upptäckterna är av intresse för såväl grundforskning som för tillämpningar inom

exempelvis elektronik.

• author: Hjort, Martin
• supervisor: Anders Mikkelsen
• opponent: IBM Fellow / Professor Tromp, Rudolph, IBM T.J. Watson Research Center, USA & Universiteit Leiden, Netherlands
• organization: Nanometer structure consortium (nmC)-lup-obsolete (research group); NanoLund: Centre for Nanoscience; Synchrotron Radiation Research
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: low energy electron microscopy, scanning tunneling spectroscopy, scanning tunneling microscopy, surface, III–V semiconductor materials, nanowire, photoemission electron microscopy, photoelectron spectroscopy, Fysicumarkivet A:2014:Hjort
• pages: 171 pages
• defense location: Rydberg Hall, Fysicum
• defense date: 2014-02-07 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-813-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 8409c5f3-9a3b-4500-a623-f191557bfdf7 (old id 4247220)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:21:39
• date last changed: 2021-10-15 02:34:48