III–V Nanowire Surfaces
(2014)- 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... (More) - 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 (Less) - 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... (More) - 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. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/4247220
- author
- Hjort, Martin
LU
- supervisor
- opponent
-
- IBM Fellow / Professor Tromp, Rudolph, IBM T.J. Watson Research Center, USA & Universiteit Leiden, Netherlands
- organization
- publishing date
- 2014
- type
- Thesis
- publication status
- published
- subject
- 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
- publisher
- Department of Physics, Lund University
- 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
@phdthesis{8409c5f3-9a3b-4500-a623-f191557bfdf7, abstract = {{This dissertation deals with the geometric and electronic structure of surfaces on III–V semiconductor nanowires<br/><br> (NWs). NWs made of InAs, GaAs, and InP have been studied using scanning tunneling microscopy/spectroscopy<br/><br> (STM/S), low energy electron microscopy (LEEM), photoemission electron microscopy (PEEM), and x-ray<br/><br> photoelectron spectroscopy (XPS).<br/><br> All of the mentioned techniques have been developed to study 2-dimensional samples and issues related with the<br/><br> adaption to 3-dimensional nanostructures are discussed, together with solutions on how to overcome them.<br/><br> Preparation techniques of NW samples for surface science studies, including an effective and seemingly non-destructive<br/><br> deoxidation routine using atomic hydrogen have been developed.<br/><br> Using STM/S, it has become possible to study the atomic arrangement at NW surfaces and evaluate the electronic<br/><br> structure with very high spatial precision. NWs have been studied showing metallic surfaces due to step induced states,<br/><br> Fermi level pinned surfaces, and unpinned surfaces allowing for general probing of NW properties. With the STM, it<br/><br> was possible to image from micrometers along individual NWs down to the atomic scale evaluating, among other<br/><br> things, tapering, surface morphology, and surface reconstructions.<br/><br> Using LEEM/PEEM as a novel tool for NW studies, it has become possible to determine electronic and geometrical<br/><br> properties of NWs using low energy electrons or photoelectrons. NW dopant incorporation, work function, and<br/><br> surface atomic arrangement were studied. In addition, XPS was used to study NW surface chemistry and interfacial<br/><br> chemistry for NWs covered in high-κ oxides}}, author = {{Hjort, Martin}}, isbn = {{978-91-7473-813-1}}, 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}}, language = {{eng}}, publisher = {{Department of Physics, Lund University}}, school = {{Lund University}}, title = {{III–V Nanowire Surfaces}}, url = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/5755513/4247239.pdf}}, year = {{2014}}, }