Transmission Electron Microscopy of III-V Nanowires and Nanotrees

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish I denna avhandling har morfologin och kristallstrukturen av epitaxiellt växta nanotrådstrukturer undersökts med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM), transmissionselektronmikroskopi (TEM) och multi-slice (MS) simuleringar. Bland annat har vi funnit att de lamellära tvillingar som ofta observeras i III-V nanotrådar växta i <111>B riktningarna tenderar att begränsas av enbart {111} fasetter. Om en sådan nanotråd betraktas i en <-110> riktning, parallell med tvillingplanen, uppvisar nanotråden mikrofasetterade kanter eftersom två av {111} planen ligger i zonen. Om samma nanotråd roteras 30 grader runt dess egen axel, motsvarande en <11-2> riktning, ses däremot helt parallella sidofasetter utan någon mikrofasettering. Detta beror på att kanterna mellan {111} fasetterna ger upphov till projicerade sidofasetter i en sådan projektion. Dessutom är tvillingplanen klart urskiljbara i <-110> men mindre tydliga i <11-2>, eftersom atomkolumnerna överlappar varandra i det senare fallet. Två tvillingtyper har tidigare rapporterats i litteraturen med endera heteroatomära (III-V) eller monoatomära (III-III eller V-V) bindningar över tvillingplanet. I denna studie har vi funnit, utifrån MS-simuleringar, att den heteroatomära tvillingtypen dominerar. Om nanotrådarna betraktas i kristallriktningar som inte är parallella med tvillingplanen uppvisar angränsande tvillingsegment två olika kristallriktningar. Dessa riktningar är kristallografiskt relaterade eftersom de delar ett gemensamt (111) tvillingplan och kan därför indexeras. MS-simuleringar har visat att båda tvillingtyperna genererar samma typ av högupplösande TEM-bilder i zonerna <100>, <-1-10>, <1-1-1> och <1-1-2>. De motsvarande kristallriktningarna i angränsande tvillingsegment har bestämts till <1-2-2>, <11-4> och <11-5>. Eftersom varje segment är begränsat av {111} ytor kommer regioner av ickeöverlappande tvillingsegment att ha en specifik morfologi. Vid växt av nanotrådar används ofta guldnanopartiklar för att definiera nanotrådarnas diameter och position. Interaktionen mellan dessa nanopartiklar och III-V substratet samt nanotråden har i denna avhandling undersökts för GaAs. Effekterna av upphettning innan växt samt olika atmosfärer vid nedkylning har studerats genom sammansättningsanalys av guldnanopartiklarna efter växt. Det har visat sig att guldpartiklarna inte reagerar med GaAs i As-rik atmosfär under upphettning, växt och nedkylning. Däremot om en Ga-rik atmosfär används ökar halten Ga i nanopartiklarna efter växt eftersom legeringsreaktioner sker mellan Au och Ga. Dessa observationer stämmer väl överens med det ternära Au-Ga-As fasdiagrammet. Baserat på detta drog vi slutsatsen att guldpartiklarna förblir i fast fas så länge växten sker under As-rika förhållanden i vårt system. Om däremot legering tillåts ske mellan Au och Ga är det möjligt att nanopartiklarna smälter. När det gäller Au-In-As systemet är situationen annorlunda eftersom Au och InAs inte är stabila tillsammans. Detta har fått till följd att växt av InAs nanotrådstrukturer stabiliseras av växt med förlegerade Au-In nanopartiklar. Mer komplexa nanotrådstrukturer kan växas genom att använda tidigare generationer av nanotrådar som fristående substrat. På grund av morfologin benämns dessa strukturer nanoträd, med stam, grenar och löv motsvarande tre olika generationer av nanotrådväxt. För III-V material där zinkbländestruktur dominerar bibehålls växtriktningarna till <111>B oavsett växtgeneration. Detta gäller även de lamellära tvillingarna med några få undantag. I övergången mellan stam och gren hittas ofta en enkristallin region som tros bero på låg övermättnad av Ga i det initiala stadiet av växt. Om nukleering av ett löv sker på en sådan region bildas en helt enkristallin nanotråd. Vid heteroepitaxiell växt av InP på GaP fås ett annat växtbeteende. Växten sker då topotaxiellt med InP grenar eller löv krypande parallet med eller i spiral runt om tidigare generationer av GaP nanotrådar. Undantaget är toppen av tidigare nanotrådgenerationer där växtriktningen bibehålls men ett byte av material sker. Skillnaden mellan dessa två fall är troligen olika förhållanden för nukleering. Tack vare den begränsade storleken på nanotrådstrukturerna kan högupplösande TEM-bilder med näst intill atomär upplösning erhållas. Dessa bilder har tillsammans med MS-simuleringar kunnat användas för att rekonstruera den tredimensionella strukturen av nanotrådarna. Dessutom har Moiré mönster och dubbeldiffraktion i TEM-bilderna, orsakade av överlappande kristallint material, varit användbara för att avgöra det relativa förhållandet mellan såväl nanotrådgenerationer i nanoträd som angränsande tvillingsegment i en nanotråd.