Morphological Studies of Nanowire Surfaces Using Scanning Probe Techniques

Abstract

Highly structured polytypic InAs III-V semiconductor nanowires with an axial stacking
of wurtzite (WZ) and zincblende (ZB) segments were studied using scanning tunneling
microscopy and spectroscopy (STM/S). The periodic changes in the axial direction of the
crystal structure were achieved by precisely tuning the growth parameters, and no unwanted
doping gradient was required. All low index facets of the wires were identied and characterized
by atomically resolved STM images, revealing {10-10} and {11-20} terminations on
the WZ facets, and {111}A/B as well as {110} termination for the facets of the ZB crystal.
In addition, the interfaces between these facets, of which some exhibited rotations, were also
studied. The overall morphology of the wire as well as the morphology of the individual
facets were determined, resulting in the creation of a model of the wire. The model includes
conclusions regarding the origin of the surface morphology, and the implications such surface
congurations might infer to the electronic properties as well as extended growth of such
wires.

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning

Nanotrådar- små, men med stora möjligheter
Nanovetenskap anses ofta vara vägen till framtidens teknologi inom bland annat elektronik.
Även om endast en liten del av fysikens alla aspekter är involverade inom området så finns
det likväl en myriad av olika forskningsområden som alla kan klassas som nanoteknologi.
Exempel på dessa är katalysatorer, kvantprickar men även belysning i from av LED.
En annan undergrupp, som studeras ingående vid Lunds Universitet är halvledande
nanotrådar. En nanotråd är i princip en stavformad kristall vars diameter ofta mäts i tiotal
nanometer och vars längd kan sträcka sig upp till flera mikrometer. Dessa nanotrådar,
speciellt de som är gjorda av III-V material, dvs av en blandning av atomer från grupp III och
grupp V i det periodiska systemet, har påvisat stor potential inom såväl elektronik som
fotonik.
För att uppnå målet att använda dessa komponenter i framtidens elektronik måste först
morfologin av ytorna samt skiften mellan olika kristallstruktur i trådarna studeras i detalj.
Detta då förhållandet mellan atomerna på ytan och atomerna i bulken, d.v.s. inuti tråden, är
väldigt stor på de små längdskalor relaterade med nanotrådar, till skillnad från motsvarande
ratios för komponenter i dagens elektronik. Såldes kommer ytans egenskaper vilka beror på
dess morfologi och atomstruktur, som i dagens elektronik till stor del är försumbara, att spela
stor roll gällande trådarnas möjlighet att dominera i framtidens elektronik.
Ett optimalt redskap för sådana studier är ett så kallat sveptunnelmikroskop (STM) som,
baserat på den kvantmekaniska tunneleffekten, kan uppnå upplösningar höga nog att se
enskilda atomer. Denna typ av mikroskopi är dock oftast limiterade till extremt platta ytor,
med maximala höjdskillnader på ett fåtal nanometer. Det är således en väldigt opraktiskt
metod rent experimentellt för studier av nanotrådar, detta då höjdskillnaden mellan substrat
och nanotråd är ofantligt stora i ett STM´s mått mätt. Detta har lett till att endast ett par studier
av nanotrådars ytor har gjorts med hjälp av STM, vilket gör vikten av vidare studier ännu
större.
Således inleddes en helomfattande STM studie av halvledande nanotrådars ytor med målet att
övervinna de experimentella barriärerna vars resultat sammanfattas den här
mastersavhandlingen. De studerade trådarna, bestående av InAs, var i sig speciella då de var
multistrukturella, d.v.s. hade många olika facetter och atomära strukturer i en och samma tråd,
varav somliga, kallade Wurtzite, en atomär struktur som för InAs endast observerats i
naontrådar. Detta möjliggjorde direkta jämförelser mellan strukturerna på trådarna, och gav
även möjligheten att i detalj studera övergångarna från en struktur till en annan. Dessa
övergångar är av stort intresse då de förutspås kunna påverka de eftersökta elektroniska
egenskaperna hos trådarna.

• author: Knutsson, Johan
• supervisor: Anders Mikkelsen; Martin Hjort
• organization: Synchrotron Radiation Research; Department of Physics
• course: FYSM60 20121
• year: 2012
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: STM, Nanowire, Semiconductor, Morphology, Surface, InAs, Heterostructure
• language: English
• additional info: The thesis is a 60 credit thesis witch was conducted during a 1.5 year period, working part time the first 2 semesters and full time the last semester.
• id: 2971708
• date added to LUP: 2012-08-28 14:31:38
• date last changed: 2012-11-12 22:20:25