In-situ Growth of Sn-seeded GaAs and GaSb Nanowire Heterostructures
(2023) KASM10 20231Centre for Analysis and Synthesis
- Abstract
- One of the ways to utilize III-V nanowires, is to make use of the possibility to combine materials and create heterostructures which allows for creating material combinations with new properties. A special interest can be taken into Sb-containing nanowires due to the high electron mobility, however there has been reported difficulties with switching to other materials because of a 'memory effect' where Sb lingers in the system and nanowire. Moreover, there is a need for exploring different seed materials such as Sn for nanowires since the commonly used Au can introduce problems in Si-integrated devices. In this thesis, the primary focus was to create heterostructure nanowires of Sn-seeded GaSb and GaAs and try to optimize the transitions... (More)
- One of the ways to utilize III-V nanowires, is to make use of the possibility to combine materials and create heterostructures which allows for creating material combinations with new properties. A special interest can be taken into Sb-containing nanowires due to the high electron mobility, however there has been reported difficulties with switching to other materials because of a 'memory effect' where Sb lingers in the system and nanowire. Moreover, there is a need for exploring different seed materials such as Sn for nanowires since the commonly used Au can introduce problems in Si-integrated devices. In this thesis, the primary focus was to create heterostructure nanowires of Sn-seeded GaSb and GaAs and try to optimize the transitions by growing nanowires while studying them in an Environmental Transmission Electron Microscope. When growing with GaAs, a twin superlattice structure was detected at a lower V/III ratio versus at a higher V/III ratio where the nanowire grew straight zincblende. This trend seems to coincide with ex-situ work with Sn-seeded GaAs and is exciting since twins can perhaps indicate a possibility for wurtzite to form. Moreover both GaAs-GaSb and GaSb-GaAs were grown and after observing suboptimal switches, such as with substantial overgrowth or kinking, speculations were made as to why these phenomena occurred. These insights helped with the succeeding growth of GaSb-GaAs-GaAsSb heterostructures. For the GaSb-GaAs switch, the ability to switch to pure GaAs was an intriguing discovery as there has not been any record of this before. However the transitions in the GaSb-GaAs-GaAsSb heterostructure observed were gradual, and for the first switch (GaSb-GaAs) the nanowire kinked and in the second switch (GaAs-GaAsSb) As never fully left the nanowire crystal. This work has contributed to the understanding of the different roles the parameters play in terms of affecting the GaAs and GaSb heterostructure nanowire growth, but also laid a foundation for future research. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Kombinera halvledarmaterial på atomnivå i nanotrådar
Genom att växa nanotrådar och samtidigt studera detta med supermikroskop, kan man styra kristallväxten och utveckla nya materialkombinationer för att skapa framtidens material.
Så kallade nanotrådar är i en stavform där diametern är i nm-skalan medan längden kan vara i µm-skalan. Dessa nanotrådar kan vara gjorda av kristallina material och genom att skapa dem av halvledare där man kan styra över ledningsförmågan, är det av stort intresse att använda till exempelvis framtidens elektronik. Genom att kunna kombinera olika material i nanotrådar kan ytterligare applikationer upptäckas, och i detta examensarbete gjordes en övergång mellan två material (GaSb-GaAs) som enligt min vetskap... (More) - Kombinera halvledarmaterial på atomnivå i nanotrådar
Genom att växa nanotrådar och samtidigt studera detta med supermikroskop, kan man styra kristallväxten och utveckla nya materialkombinationer för att skapa framtidens material.
Så kallade nanotrådar är i en stavform där diametern är i nm-skalan medan längden kan vara i µm-skalan. Dessa nanotrådar kan vara gjorda av kristallina material och genom att skapa dem av halvledare där man kan styra över ledningsförmågan, är det av stort intresse att använda till exempelvis framtidens elektronik. Genom att kunna kombinera olika material i nanotrådar kan ytterligare applikationer upptäckas, och i detta examensarbete gjordes en övergång mellan två material (GaSb-GaAs) som enligt min vetskap aldrig gjorts förut!
Ett vanligt sätt att växa nanotrådar är att använda sig av metallpartiklar som utgångspunkt, där halvledarkristallen (bestående av exempelvis Ga och As) växer från partikeln. Det kan liknas vid när ett hårstrå växer från en hårsäck - från hårsäcken samlas alla näringsämnen och delar som utgör ett hårstrå för att det sedan ska kunna växa med den färg och tjocklek som genetiken avgör. I metallpartikeln som används så kan Ga och As lösa sig i partikeln tills det blir så mycket av dem i partikeln att det är mer gynnsamt att börja bilda en halvledarkristall, se Figur 1.. Det är inte heller genetiken som avgör egenskaperna för nanotråden utan till exempel hur stor diametern på metallpartikeln är, vilka ämnen man väljer att använda, vilken temperatur som används, hur mycket av dessa ämnen Ga och As som tillförs och så vidare.
Trots att det kanske låter lätt som en plätt att växa dessa nanotrådar är det snarare tvärtom. Det finns så många faktorer som influerar detta, att det är svårt att förutspå med en kristallkula exakt vad som kommer att hända. Tidigare har det ofta varit så att man växer nanotrådar som man sedan kan studera med mikroskop - men inte vilka mikroskop som helst!
Istället för att använda vanliga ljusmikroskop, använder man till exempel en typ av elektronmikroskop där elektroner accelereras så snabbt att de kan åka igenom ett prov och i bästa fall urskilja enskilda atomer (!). Tillbaka till det faktum att man brukar växa nanotrådar och först efteråt studera dem - detta kan göra det svårt att optimera växten på ett effektivt och enkelt sätt. Som tur är finns det exempelvis ett supermikroskop här i Lund där man kan växa nanotrådar och studera dem samtidigt - ‘in-situ’! När man då gör en förändring i temperatur kan man direkt se ifall växten av nanotråden blev bättre - såsom att den faktiskt började växa eller växa utan defekter.
Med detta supermikroskop, Environmental Transmission Electron Microscope, finns det möjligheter att utforska kombinationer av material inom nanotrådar, vilket gjordes i detta examensarbete*. Sn användes som metallpartikelsmaterial då det är ett lovande alternativ till Au som oftast används, eftersom det passar bättre till kiselbaserade elektroniska enheter. GaAs är väldigt utforskat, medan GaSb inte är lika använt. Detta för att antimon brukar vara svårt att använda om man vill byta mellan då det har en ‘minneseffekt’ och gärna stannar kvar i nanotråden trots att man inte tillför mer av det. Dock är det väldigt spännande att använda då antimon-nanotrådar på grund av deras bra ledningsförmåga och möjligheter att kombinera med andra material för att kunna använda det till att förbättra framtidens transistorer eller solceller. I detta examensarbete utforskades hur man kan byta mellan GaAs och GaSb och vice versa. Den mest spännande upptäckten som gjordes var att det gick att byta från GaSb till ren GaAs som nämndes i början! (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9130952
- author
- Kraina, Azemina LU
- supervisor
- organization
- course
- KASM10 20231
- year
- 2023
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- nanowire, heterostructure, ETEM, MOCVD, TEM, in-situ, Sn, GaAs, GaSb, materials chemistry
- language
- English
- id
- 9130952
- date added to LUP
- 2023-06-28 15:51:31
- date last changed
- 2023-06-28 15:51:31
@misc{9130952,
abstract = {{One of the ways to utilize III-V nanowires, is to make use of the possibility to combine materials and create heterostructures which allows for creating material combinations with new properties. A special interest can be taken into Sb-containing nanowires due to the high electron mobility, however there has been reported difficulties with switching to other materials because of a 'memory effect' where Sb lingers in the system and nanowire. Moreover, there is a need for exploring different seed materials such as Sn for nanowires since the commonly used Au can introduce problems in Si-integrated devices. In this thesis, the primary focus was to create heterostructure nanowires of Sn-seeded GaSb and GaAs and try to optimize the transitions by growing nanowires while studying them in an Environmental Transmission Electron Microscope. When growing with GaAs, a twin superlattice structure was detected at a lower V/III ratio versus at a higher V/III ratio where the nanowire grew straight zincblende. This trend seems to coincide with ex-situ work with Sn-seeded GaAs and is exciting since twins can perhaps indicate a possibility for wurtzite to form. Moreover both GaAs-GaSb and GaSb-GaAs were grown and after observing suboptimal switches, such as with substantial overgrowth or kinking, speculations were made as to why these phenomena occurred. These insights helped with the succeeding growth of GaSb-GaAs-GaAsSb heterostructures. For the GaSb-GaAs switch, the ability to switch to pure GaAs was an intriguing discovery as there has not been any record of this before. However the transitions in the GaSb-GaAs-GaAsSb heterostructure observed were gradual, and for the first switch (GaSb-GaAs) the nanowire kinked and in the second switch (GaAs-GaAsSb) As never fully left the nanowire crystal. This work has contributed to the understanding of the different roles the parameters play in terms of affecting the GaAs and GaSb heterostructure nanowire growth, but also laid a foundation for future research.}},
author = {{Kraina, Azemina}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{In-situ Growth of Sn-seeded GaAs and GaSb Nanowire Heterostructures}},
year = {{2023}},
}