In-Situ Investigation of Particle Assisted GaSb Nucleation Using Environmental TEM

Abstract

III-V semiconductor material based nanowires have been extensively
studied and shown to be a very exciting building block for future
electronics. Material systems such as GaSb show a lot of promise
in optoelectric and thermoelectric generation applications because of
its high electron mobility and small bandgap. Although there is a lot
of research about III-V nanowires, a gap in understanding antimony
based nanowire growth is present. The surfactant effect of Sb makes
growth of antimony based nanoowires challenging. The aim of this
master thesis is to investigate direct nucleation of GaSb from both
Au and Sn seed particles which would help to develop a method for
direct nucleation. The study is carried out in an environmental transmission
electron microscope which enables the nucleation of GaSb to
be studied and recorded in-situ. Au seeded nucleation occurred at
high amounts of Ga present in the particle, above 90 at.%, whilst it
is shown that Sn seeded nucleation is possible for a very broad range
of seed particle compositions, between 12 at.% and 70 at.%. The Au
seeded nanowires were much bigger than the Sn seeded, 100 to 200 nm
and 25 to 50 nm respectively, which is related to the Ga amount in the
seed particle. This shows that Sn seeded GaSb direct nucleation gives
much more promise if the nanowires would be integrated into electrical
devices where smaller diameter nanowires are needed. For Au
seeded GaSb nanowires twin planes were observed in the zinc blende
crystal structure which indicated a possibility of polytypism in GaSb
nanowires which has not been reported yet. The observation of polytypism
in GaSb is the first step to crystal phase engineering in GaSb
nanowires which could be crucial in applications such as nanowire
quantum dot devices. This thesis serves as a guideline and a starting
point for further GaSb direct nucleation, nanowire growth and crystal
structure studies.

Popular Abstract (Swedish)

Under de senaste 30 åren har all elektronik fått allt mindre storlek. Detta beror på att man har lyckats skala ned de komponenter som bygger upp dagens elektronik till nanoskalan. En av de allra viktigaste strukturerna som har bidragit till den här utvecklingen är nanotrådar, som är i storlek av en miljarddels meter. Nanotrådar är små avlånga strukturer som är kristallina och kan användas att bygga upp elektriska komponenter så som transistorer. Istället för att säga "framställa nanotrådar" brukar man istället använda frasen "växa nanotrådar". Det beror på att nanotråden växer nerifrån upp och väldigt ofta har en så kallad "fröpartikel", som liknar hur en växt växer. För att börja växa nanotrådar använder man oftast en metallisk fröpartikel som utgångspunkt. Beroende på vilket material partikeln består av så kan man växa olika nanotrådar vid olika temperaturer och miljöer. I mitt projekt har jag undersökt hur olika material på partikelfröet påverkar växten av nanotrådar.

Nanotrådar består av halvledarmaterial vilket innebär att deras egenskaper är som en kombination av en isolator och en ledare. Det är därför halvledare är så viktiga och användbara för elektriska komponenter då deras strömledande förmåga kan kontrolleras. Atomerna i en nanotråd sitter i väldefinierade positioner som bygger upp en kristallstruktur. Man kan jämföra atomerna i kristallen med pingisbollar i en låda. Det finns flera olika sätt att placera pingisbollarna i lådan. Man kan bara slänga in dem eller lägga i dem en och en. Naturen är väldig effektiv och vill alltid minska mängden energi den ska spendera och vill fylla ut volymen på det mest effektiva sättet. Därför, enligt naturen, ska pingisbollar sättas in på det sättet som gör att vi får maximalt antal bollar i lådan. Samma princip gäller för atomerna i kristallen som strukturerar sig på så sätt att volymen fylls ut på det mest effektiva sättet. Men om man tillför energi, till exempel genom att öka temperaturen, kan atomerna börja röra på sig och istället bygga upp någon annan struktur. Det leder till att nanotrådar kan finnas i flera olika kristallstrukturer.

Det finns flera olika metoder för att växa nanotrådar, och en av de vanligaste är att använda metalliska partiklar som en startpunkt. För att nanotråden ska kunna bildas måste man tillföra material som oftast är i gasform. Materialet då samlas in i partikeln och det kan då börja bilda en kristall under den. I och med kristallen byggs upp under partikeln, så kommer den resulterande nanotråden ha partikeln på toppen. Guld är bland de vanligaste metallerna att använda för dessa partikelfrön, men det finns flera alternativ så som silver eller tenn. Partikeln fungerar som en samlingspunkt för material som då kan bilda en nanotråd. Utöver det vet man inte exakt varför olika partiklarna är "bättre" än andra, men det finns olika teorier.

Man kan fråga sig "Hur kan man veta/se vad som händer när nanotråden växer om de är så små?". De flesta känner igen ljusmikroskopet som används inom nästan alla vetenskapliga fält för att undersöka allt som är för litet för våra ögon. Ljusmikroskopet är dock inte tillräckligt bra för att undersöka grejer på nanoskalan. Några smarta forskare har kommit på att istället för att använda ljus som består av fotoner, så kan man använda elektroner och uppfann då elektronmikroskopet. Elektronmikroskopen är mycket mer komplicerade än ljusmikroskopen, men det allra viktigaste som man ska veta är att det ger oss möjlighet att undersöka pyttesmå föremål, såsom nanotrådar.
Inom mitt examensarbete så använde jag ett väldigt speciellt elektronmikroskop som inte endast tillåter undersökning av små strukturer, men också ger möjlighet att växa dem! Det är väldigt användbart, för vanligen växer man nanotrådar i en stängd kammare där man inte vet riktigt vad som händer och kan endast analysera resultaten i efterhand. Därför kunde jag undersöka hur nanotrådar växer och identifiera olika problem och fenomen som uppstår under nanotrådens växtprocess.

Men en väldigt betydelsefull fråga kvarstår: varför är nanotrådar så viktiga? Det finns flera olika anledningar, men en av de största är att det är något nytt! Nanotrådstekniken är relativt ny och det finns redan några användningsområden såsom solceller. Det finns hur mycket forskning som helst som föreslår flera olika nya material med nya egenskaper som kan användas för att växa nanotrådar och hur dessa kan användas för väldigt spännande appliceringar. Det är bara en tidsfråga innan de kan realiseras i verkligheten. Allt från att göra elektriska komponenter ännu mindre till andra ännu outforskade forskningsfält. Kort och gott ser framtiden för nanotrådar väldigt ljus ut.

• author: Urbonavicius, Aidas
• supervisor: Kimberly Dick Thelander; Robin Sjökvist; Mikelis Marnauza
• organization: Centre for Analysis and Synthesis
• course: KASM10 20222
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering; Chemistry
• keywords: ETEM, Nucleation, GaSb, Nanowires, Materials chemistry
• language: English
• id: 9113585
• date added to LUP: 2023-06-28 10:56:25
• date last changed: 2023-06-28 10:56:25