High resolution imaging of GaAs nanowires

Abstract

Semiconductor nanowires (NWs) are expected to be the new building blocks in electronics and photonics, but improved understanding of the nanowire surfaces and electronic properties are required to realize it.

In this bachelor thesis, wurtzite (Wz)-zincblende (Zb) axial heterostructure GaAs nanowires are studied using scanning tunneling microscopy and spectroscopy. The hexagonal cross section nanowires have {110}- type side facets for the Zb top part and {10-10}- type side facets for the Wz bottom part . Additionally {11-20}-type facets and {111}B- type facets are present at the transition between the two crystal structures. The surfaces of these facets are investigated to characterize their morphology and defects.

The {110}-type zincblende facets are characterized by 60-80 nm wide terraces with wavy edges. At least one type of point defects is observed on the surface, which is thought to be Arsenic mono-vacancies with a density of the order 〖10〗^12-〖10〗^13 cm^(-2). No stacking faults or twin-planes are observed in the zincblende crystal structure, but are seen in the crystal transition region between the two crystal structures. A downward directed, 5-15 nm wide stripe-like overgrowth structure is seen on the {11-20}-type wurtzite facets. Furthermore, 50-70 nm wide {10-10}-type facets show a morphology of atomic steps occurring perpendicular to the nanowire growth direction. A 5-15 nm wide structure, parallel the nanowires are observed to emanate from these atomic steps. The surfaces of the wurtzite part of the nanowires have almost no point defects, but show a low density of stacking fault.

Popular Abstract (Swedish)

Högeffektiva solceller och lysdioder samt nya typer av transistorer är bara några av möjligheterna som öppnas med nanoteknik. En av de mest lovande nano- strukturerna som studeras för framtida applikationer är nanotrådar av halvledarmaterial som galliumarsenid (GaAs). Dessa stavformade kristaller har en diameter mindre än en tusendel av ett hårstrås och förväntas bli de nya byggnadsblocken inom elektronik och fotonik. I och med miniatyriseringen av elektroniska komponenter så har ytstrukturen fått en allt större betydelse för materialets elektroniska egenskaper. Det är därför av intresse att undersöka dessa ytor för att optimera nanotrådar till användning i olika applikationer.

Vid avdelningen för synkrotronljusforskning vid Lunds universitet används ett kraftfult mikroskop, ett så kallat sveptunnelmikroskop (STM), för att ta högupplösta bilder av ytor relevanta för nanoteknik. Sveptunnelmikroskopet användes i studien för att ta bilder med atomär upplösning av GaAs nanotrådar. Bilderna produceras genom att en metallspets i mikroskopet sveper över nanotrådarna på ett avstånd som regleras för att få en konstant ström av elektroner mellan ytan och spetsen. Variation i avståndet mellan nanotrådarna och spetsen gör det möjligt att avbilda nanotrådarnas topografi.

I studien tolkades de framtagna mikroskopibilderna på nanotrådar med olika kistallstrukturer i de båda ändarna. Nanotrådarna har olika fasetter som kunde identifieras genom observationer av den atomära strukturen eftersom den skiljer sig åt mellan den kubiska och hexagonalla kristallstrukturen. Därigenom var det möjligt att undersöka specifika nanotrådytor med avseende på defekter såsom vakanser och staplingsfel i kristallstrukturen, vilka påverkar de elektroniska egenskaperna. Vid mitten av nanotrådarna sker en övergång mellan de ovan nämnda kristallstrukturerna. Denna övergång undersöktes för att avgöra om det uppkommit defekter i vid framställningen av nanotrådarna.

I studien presenteras bildserier av GaAs nanotrådarnas fasetter. Studien visar att fasetterna tillhörande den kubiska kristallstrukturen har homogent fördelade punktdefekter i form av arsenikvakanser i det första atomära lagret. Mixad kristallstruktur och staplingsfel i kristall-strukturen observerades däremot inte på dessa ytor.
På fasetterna i nanotrådarnas nedre del observerades kristalldefekter i form av staplingsfel, om än med låg frekvens. Detta resulterar i segment av mixad kristallstruktur, som försämrar materialets elektroniska egenskaper. Ytorna hade en mycket låg förekomst av punktdefekter. Bortsett från punktdefekterna i nanotrådarnas övre halva vars ursprung inte fastställts, så indikerar resultaten en generellt hög framställningskvalitet för nanotrådarna. Närmare studier av defekternas influens på de elektroniska egenskaperna skulle vara av värde att genomföra.

• author: Johansson, Andreas
• supervisor: Anders Mikkelsen
• organization: Department of Physics; Synchrotron Radiation Research
• course: FYSK01 20121
• year: 2015
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Scanning Tunneling Microscopy, STM, Nanowire, Gallium Arsenide, GaAs, Semiconductor, Atomic structure, Morphology, Nanoelectronics, Heterostructure
• language: English
• id: 4938766
• date added to LUP: 2016-05-30 13:51:13
• date last changed: 2016-05-30 13:51:13