Advanced

Nanoscale Crystal Growth: The Importance of Interfaces and Phase Boundaries Kristallväxt på Nanometer Skala: Vikten av Ytor och Gränser

Wacaser, Brent LU (2007)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

För material på nanoskalan har ytor och gränser större betydelse för materialets egenskaper än de har för storskaliga material. Detta beror på att yt/volymförhållandet är större för material på nanoskalan än för samma material på större skala. Ett fast material där atomerna sitter i en ordnad struktur eller gitter kallas för kristall. En kristall växer när ?nya? atomer binder till ytorna av den befintliga kristallen, och gittret fortsätter. Det betyder att kristallväxten sker på gränsen mellan den växande kristallens yta och källmediet, som är källan av de ?nya? atomer. Förståelse för den struktur samt de processer och reaktioner som sker på dessa ytor är därför viktigt för att kunna förklara... (More)
Popular Abstract in Swedish

För material på nanoskalan har ytor och gränser större betydelse för materialets egenskaper än de har för storskaliga material. Detta beror på att yt/volymförhållandet är större för material på nanoskalan än för samma material på större skala. Ett fast material där atomerna sitter i en ordnad struktur eller gitter kallas för kristall. En kristall växer när ?nya? atomer binder till ytorna av den befintliga kristallen, och gittret fortsätter. Det betyder att kristallväxten sker på gränsen mellan den växande kristallens yta och källmediet, som är källan av de ?nya? atomer. Förståelse för den struktur samt de processer och reaktioner som sker på dessa ytor är därför viktigt för att kunna förklara kristallväxt. Hur växt av tre-, två-, och till en vis del endimensionella kristaller beror på ytorna har undersökts tidigare. Förståelse för de mekanismer som förklarar kristallväxt har förbättrat tillverkning nanostrukturer och komponenter. Detta har varit viktigt både ur vetenskaplig och också kommersiell synvinkel.



Denna avhandling är baserad på forskning om nanokristallernas ytor och gränser. Den förklarar hur kontrollen av nanokristallväxt kan förbättras och beskriver de framsteg som gjorts på grund av förståelsen för växtprocesser som sker vid dessa ytor. Först presenteras en sammanfattning av de uttryck och koncept som används inom kristallväxt. Därefter förklaras, med hjälp av dessa koncept, en ny teknologi som har utvecklats för att tillverka kvantprickar av halvledarematerial.



Huvuddelen av avhandlingen ägnas åt att förklara kristallväxt av endimensionella nanostrukturer, nanotrådar, växta i ett system som har minst tre olika faser eller material. Den vanligaste förklaringen av nanotrådsväxt i ett trippel-fas system kallas vapor-liquid-solid (VLS ) mekanismen, gas-vätska-fast-fas mekanismen. VLS och liknande förklaringar brister i detaljerna kring de växtprocesser som är involverade i nanotrådsväxten och undersökning av de olika växtmekanismerna visar att det i realiteten är samma växtprocesser som styr växterna. Nyckeln till en bättre förståelse och kontroll av nanotrådsväxt ligger i att förstå just dessa växtprocesser. På grund av den fundamentala likheten mellan de nanotrådsväxtmekanismerna med olika namn, så föreslås ett nytt namn som ersättning för alla de andra namnen, nämligen Preferential phase-boundary nucleation. Detta betyder att nukleeringen eller kärnbildningen av kristallen sker fördelaktigt eller snabbare på bara en av gränserna som är involverade i nanotrådväxten. Till skillnad mot tidigare namn på mekanismen som förklarar nanotrådsväxten, så är detta namn relaterat till både processerna i mekanismen och också betonar att olika faser och deras gränser har betydelse vid nanotrådväxt. Tidigare namn betonar bara specifika faser. Bättre förståelse för strukturen samt för växtprocesserna på ytor och gränser leder till en ökad kontroll av växt av nanostrukturer. (Less)
Abstract
Surfaces and interfaces have a special significance to nanotechnology because the surface/volume ratio of nanomaterials is larger than for bulk materials. Therefore, interfaces of nanomaterials are usually more important to the properties of nanomaterials than for larger scale materials. Furthermore, crystal growth occurs at the interfaces between the growing crystals and the supply media. An understanding of the interfaces is therefore essential to understanding growth. Nanoscale crystal growth of three, two, and to some extent one-dimensional crystals has been explained in the context of crystalline interfaces. This understanding has helped improve production of nanostructures and devices that are both scientifically and commercially... (More)
Surfaces and interfaces have a special significance to nanotechnology because the surface/volume ratio of nanomaterials is larger than for bulk materials. Therefore, interfaces of nanomaterials are usually more important to the properties of nanomaterials than for larger scale materials. Furthermore, crystal growth occurs at the interfaces between the growing crystals and the supply media. An understanding of the interfaces is therefore essential to understanding growth. Nanoscale crystal growth of three, two, and to some extent one-dimensional crystals has been explained in the context of crystalline interfaces. This understanding has helped improve production of nanostructures and devices that are both scientifically and commercially beneficial.



This dissertation expands on the importance of interfaces and atomistic processes occurring at these interfaces; explaining the growth and control of different nanocrystals. A brief review of crystal growth terminology and theory is given. A new technology recently developed to produce compound semiconductor quantum dots is described within the context of the interfaces involved. The majority of the dissertation will focus on explaining and understanding growth of one-dimensional nanostructures, called nanowires, grown in a three-phase system. The currently accepted growth mechanism for nanowires of this type is the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism. The VLS and similar mechanisms lack details about the atomistic processes involved in wire growth. When these atomistic processes are examined, it is revealed that there are several different names describing what are proposed to be ?different? mechanisms that in reality rely on the same atomistic processes. The key to understanding nanowire growth lies in understanding the atomistic processes occurring at the interfaces. Due to the fundamental similarities in the mechanisms with different names, the name ?Preferential Phase-Boundary Nucleation? (PPBN) is suggested as a replacement for the many different names. Unlike previous names this name is relevant to the processes as well as emphasizing the importance of the phases and the interfaces. A better understanding of interfaces and the processes that occur at them leads to a greater understanding and control of the growth of crystalline nanostructures. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Dr. Werner, Peter, Max Planck Instititute for Microstructure Physics, Weinberg 2, D-06120 Halle, Germany
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
kristallografi, fasjämvikt, Semiconductory physics, Halvledarfysik, thermal and mechanical properties, crystallography, phase equilibria, Kondenserade materiens egenskaper:struktur, egenskaper (termiska och mekaniska), Condensed matter:stucture, Fysik, Physics, epitaxy, VLS, MOVPE, CBE, nanostructures, crystal growth, nanowires, III-V semiconductors, growth mechanism, MBE, Material technology, Materiallära, materialteknik
pages
158 pages
publisher
Department of Physics, Lund University
defense location
Lecture Hall B Department of Physics Sölveg. 14 C Lund University Faculty of Engineering
defense date
2007-06-08 10:15
ISBN
978-91-628-7153-6
language
English
LU publication?
yes
id
64876d33-e90e-4462-b382-c237c562e246 (old id 548715)
date added to LUP
2007-10-02 15:57:40
date last changed
2016-09-19 08:45:02
@phdthesis{64876d33-e90e-4462-b382-c237c562e246,
  abstract     = {Surfaces and interfaces have a special significance to nanotechnology because the surface/volume ratio of nanomaterials is larger than for bulk materials. Therefore, interfaces of nanomaterials are usually more important to the properties of nanomaterials than for larger scale materials. Furthermore, crystal growth occurs at the interfaces between the growing crystals and the supply media. An understanding of the interfaces is therefore essential to understanding growth. Nanoscale crystal growth of three, two, and to some extent one-dimensional crystals has been explained in the context of crystalline interfaces. This understanding has helped improve production of nanostructures and devices that are both scientifically and commercially beneficial.<br/><br>
<br/><br>
This dissertation expands on the importance of interfaces and atomistic processes occurring at these interfaces; explaining the growth and control of different nanocrystals. A brief review of crystal growth terminology and theory is given. A new technology recently developed to produce compound semiconductor quantum dots is described within the context of the interfaces involved. The majority of the dissertation will focus on explaining and understanding growth of one-dimensional nanostructures, called nanowires, grown in a three-phase system. The currently accepted growth mechanism for nanowires of this type is the vapor-liquid-solid (VLS) mechanism. The VLS and similar mechanisms lack details about the atomistic processes involved in wire growth. When these atomistic processes are examined, it is revealed that there are several different names describing what are proposed to be ?different? mechanisms that in reality rely on the same atomistic processes. The key to understanding nanowire growth lies in understanding the atomistic processes occurring at the interfaces. Due to the fundamental similarities in the mechanisms with different names, the name ?Preferential Phase-Boundary Nucleation? (PPBN) is suggested as a replacement for the many different names. Unlike previous names this name is relevant to the processes as well as emphasizing the importance of the phases and the interfaces. A better understanding of interfaces and the processes that occur at them leads to a greater understanding and control of the growth of crystalline nanostructures.},
  author       = {Wacaser, Brent},
  isbn         = {978-91-628-7153-6},
  keyword      = {kristallografi,fasjämvikt,Semiconductory physics,Halvledarfysik,thermal and mechanical properties,crystallography,phase equilibria,Kondenserade materiens egenskaper:struktur,egenskaper (termiska och mekaniska),Condensed matter:stucture,Fysik,Physics,epitaxy,VLS,MOVPE,CBE,nanostructures,crystal growth,nanowires,III-V semiconductors,growth mechanism,MBE,Material technology,Materiallära,materialteknik},
  language     = {eng},
  pages        = {158},
  publisher    = {Department of Physics, Lund University},
  school       = {Lund University},
  title        = {Nanoscale Crystal Growth: The Importance of Interfaces and Phase Boundaries Kristallväxt på Nanometer Skala: Vikten av Ytor och Gränser},
  year         = {2007},
}