Crecimiento autocatalizado de nanocables verticales de GaSb en vástagos de InAs mediante deposición de vapor químico metalorgánico

Resumen

Divulgamos el primer crecimiento autocatalizado de nanocables de GaSb de alta calidad en tallos de InAs utilizando deposición de vapor químico metal-orgánico (MOCVD) en sustratos de Si (111). Para lograr el crecimiento de nanocables de heteroestructura vertical de InAs / GaSb, se utilizan los caudales de dos pasos del trimetilgalio (TMGa) y la trimetilantimonio (TMSb). Primero usamos tasas de flujo relativamente bajas de TMGa y TMSb para preservar las gotas de Ga en los tallos delgados de InAs. Luego, se aumentan los índices de flujo de TMGa y TMSb para mejorar la tasa de crecimiento axial. Debido a la tasa de crecimiento radial más lenta de GaSb a una temperatura de crecimiento más alta, los nanocables de GaSb cultivados a 500 ° C exhiben diámetros más grandes que los cultivados a 520 ° C. Sin embargo, con respecto al crecimiento axial, debido al efecto Gibbs-Thomson y la reducción de la sobresaturación de las gotas con el aumento de la temperatura de crecimiento, los nanocables de GaSb cultivados a 500 ° C son más largos que los cultivados a 520 ° C. Los análisis detallados de microscopía electrónica de transmisión (TEM) revelan que los nanocables de GaSb tienen una estructura cristalina perfecta de mezcla de zinc (ZB). El método de crecimiento presentado aquí puede ser adecuado para el crecimiento de otros nanocables de antimonuro, y los nanocables axiales de heteroestructura de InAs / GaSb pueden tener un gran potencial para su uso en la fabricación de nuevos dispositivos basados en nanocables y en el estudio de la física cuántica fundamental.

Antecedentes

Los nanocables semiconductores III-V han sido reconocidos como candidatos prometedores para dispositivos electrónicos, ópticos y cuánticos a nanoescala de próxima generación debido a sus propiedades electrónicas, ópticas y geométricas únicas [1, 2, 3]. Entre los materiales semiconductores III-V, debido a sus ventajas únicas, como banda prohibida directa estrecha, masa efectiva de portadora pequeña y la mayor movilidad de portadora, los antimonidos III tienen un gran potencial para su uso en la fabricación de infrarrojos de onda media y larga. fotodetectores [4], transistores de baja potencia y alta velocidad [5,6,7] y en el estudio de la física cuántica fundamental [8,9,10]. Sin embargo, debido a su gran masa atómica, la baja volatilidad del Sb elemental y la baja temperatura de fusión de los compuestos de antimonide III, lograr el crecimiento de nanocables basados en antimonide es un gran desafío [11].

En particular, los nanocables de GaSb, considerados nanocables de antimonuro de tipo p extremadamente importantes, se han cultivado principalmente con la ayuda de catalizadores de Au [12,13,14,15,16]. Sin embargo, la introducción de Au puede formar centros de recombinación de nivel profundo no deseados en la banda prohibida de Si y degradar las propiedades electrónicas y ópticas de los nanocables III-V [17, 18]. Por lo tanto, es muy deseable cultivar nanocables de GaSb sin catalizadores extraños. Además, para el crecimiento vertical de nanoalambres de antimonuro, la nucleación directa sobre el sustrato es muy difícil. Para evitar el problema de la nucleación, siempre se cultiva primero un tallo corto de otro material para ayudar al crecimiento de los nanocables GaSb verticales. Recientemente, el crecimiento autocatalizado de nanocables de GaSb en tallos de GaAs se ha realizado mediante epitaxia de haz molecular (MBE) [19], pero hasta donde sabemos, no hay informes sobre el crecimiento de nanocables de GaSb de alta calidad sin el uso de catalizadores extraños basados en una técnica de deposición química de vapor orgánico metálico (MOCVD). Aquí, presentamos el crecimiento autocatalizado de nanocables de GaSb con la ayuda de tallos de InAs utilizando MOCVD en sustratos de Si (111). Por un lado, el crecimiento de nanocables de GaSb en vástagos de nanocables de InAs mediante un mecanismo autocatalizado es difícil debido al cambio tanto de aniones como de cationes desde el vástago de InAs al GaSb superior. Por otro lado, debido al bajo desajuste de celosía del 0,6% y la alineación de banda rota de tipo II única entre InAs y GaSb, el crecimiento de nanocables de GaSb en los vástagos de InAs para formar nanocables de heteroestructura axial de InAs / GaSb permite una nueva plataforma para muchas aplicaciones, incluidos dispositivos basados en túneles [7, 14, 20, 21], transistores de semiconductores de óxido metálico complementarios (CMOS) de alta velocidad [22, 23], investigación sobre hibridación de agujeros de electrones [9] y excitones y estudios de física de espín [24].

En este artículo, se lograron nanocables de GaSb de alta calidad con paredes laterales lisas mediante un control cuidadoso de las condiciones de crecimiento. Para lograr el crecimiento de nanocables de heteroestructura vertical de InAs / GaSb, se utilizaron primero velocidades de flujo relativamente bajas de trimetilgalio (TMGa) y trimetilantimonio (TMSb) para preservar las gotas de Ga en los tallos de InAs. Luego, se aumentaron los caudales de TMGa y TMSb para mejorar el crecimiento axial de los nanocables de GaSb. Debido a la tasa de crecimiento radial más lenta de GaSb a una temperatura de crecimiento más alta, los nanocables de GaSb cultivados a 500 ° C tienen diámetros más grandes que los cultivados a 520 ° C. Además, debido al efecto Gibbs-Thomson y la reducción de la sobresaturación de las gotas con el aumento de la temperatura de crecimiento, los nanocables de GaSb cultivados a 500 ° C son más grandes tanto en diámetro como en longitud que los que crecen a 520 ° C. Los análisis detallados de microscopía electrónica de transmisión (TEM) revelan que la estructura cristalina de los tallos de InAs se compone de un politipo de estructuras de wurtzita (WZ) y zinc-blenda (ZB), mientras que los nanocables GaSb de crecimiento axial tienen una estructura cristalina ZB pura completamente libre de defectos planos.

Métodos

Crecimiento de nanocables

Los nanocables de heteroestructura InAs / GaSb se cultivaron mediante un sistema MOCVD de cabezal de ducha de acoplamiento cerrado (AIXTRON Ltd, Alemania) a una presión de cámara de 133 mbar. Se utilizaron trimetilindio (TMIn) y TMGa como precursores del grupo III, y arsina (AsH ₃ ) y TMSb se utilizaron como precursores del grupo V. Hidrógeno de pureza ultra alta (H ₂ ) se utilizó como gas portador, y el caudal total de H ₂ fue 12 slm. Los nanocables se cultivaron en sustratos de Si (111). Antes del crecimiento, los sustratos se calentaron a 635 ° C para el recocido y luego se enfriaron a 400 ° C bajo AsH ₃ fundente para formar (111) superficies similares a B [25]. Los tallos de InAs se cultivaron a 545 ° C durante 45 s con TMIn y AsH ₃ caudales de 1.0 × 10 ⁻⁶ mol / min y 2,0 × 10 ⁻⁴ mol / min, respectivamente. Posteriormente, los flujos de fuente se cambiaron de TMIn y AsH ₃ a TMGa y TMSb, y los sustratos se enfriaron a la temperatura específica para el crecimiento axial de los nanocables de GaSb. Finalmente, las muestras se enfriaron a temperatura ambiente utilizando TMSb como agente protector.

Métodos de caracterización

La morfología de los nanocables se caracterizó por microscopía electrónica de barrido (SEM) (Nova Nano SEM 650), y TEM (JEM2010F TEM; 200 kV) junto con espectroscopía de dispersión de energía de rayos X (EDS) se utilizó para investigar la estructura cristalina y la distribución de la composición elemental, respectivamente. Para las observaciones de TEM, los nanocables recién desarrollados se transfirieron mecánicamente de las muestras a rejillas de cobre recubiertas con una película de carbono. Las mediciones Raman se realizaron en geometría de retrodispersión a temperatura ambiente utilizando un láser de longitud de onda de 532 nm como fuente de excitación (Jobin-Yvon HR Evolution Raman System). Las muestras se excitaron con una potencia láser de 0,36 mW sobre un tamaño de punto de aproximadamente 1 μm.

Resultados y discusión

La Figura 1 muestra una ilustración esquemática del crecimiento axial de los nanocables de GaSb en los tallos de InAs y las secuencias fuente-suministro para el crecimiento de los nanocables. Los nanocables crecen a través de un mecanismo autocatalizado y las gotas catalíticas cambian de In a Ga gradualmente después de cambiar los flujos de TMIn y AsH ₃ a TMGa y TMSb. En comparación con los nanocables de tallo, los nanocables de GaSb siempre tienen un diámetro mucho más grueso, lo que significa que el tamaño de las gotas catalíticas de Ga es mucho mayor que el de las gotas de In. Entonces, la recolección demasiado rápida de Ga adatoms por las gotas en los tallos delgados de InAs podría causar un deslizamiento de las gotas (como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S1). Para asegurar que las gotas catalíticas tengan suficiente tiempo para recolectar Ga adatoms durante la etapa de transición de InAs a GaSb, primero usamos tasas de flujo relativamente bajas de TMGa y TMSb para proteger las gotas de Ga en los vástagos de InAs, como se muestra en la Fig.1. Durante el primer paso, los caudales de TMGa y TMSb fueron de 0,35 × 10 ⁻⁶ mol / min y 2,0 × 10 ⁻⁶ mol / min, que corresponde a una relación V / III de ~ 5,7, y el proceso de crecimiento permaneció 15 min (región 2 en la Fig. 1). Después de eso, para aumentar la tasa de crecimiento axial, las tasas de flujo de TMGa y TMSb se incrementaron a 0,7 × 10 ⁻⁶ mol / min y 4.0 × 10 ⁻⁶ mol / min para el crecimiento posterior de nanocables de GaSb (manteniendo constante la relación V / III), respectivamente. Al utilizar los caudales de TMGa y TMSb de dos pasos, logramos con éxito el crecimiento vertical de los nanocables de GaSb en los vástagos de InAs. Teniendo en cuenta el tiempo de crecimiento sin cambios de los nanocables de GaSb con tasas de flujo bajas, a menos que se indique específicamente, los tiempos de crecimiento de los nanocables de GaSb mencionados en los siguientes párrafos son idénticos a los del crecimiento de GaSb con tasas de flujo altas (región 3 en la Fig.1) .

La ilustración del crecimiento axial de los nanocables de GaSb en los tallos de InAs y las secuencias fuente-suministro para el crecimiento de los nanocables. Los nanocables de GaSb presentados aquí se cultivaron a 520 ° C

Imágenes típicas de SEM de los nanocables de GaSb cultivados en tallos de InAs a diferentes temperaturas de 480, 500, 520 y 545 ° C se muestran en la Fig. 2a-d, respectivamente (los tallos de InAs antes del crecimiento de GaSb se muestran en el archivo adicional 1:Figura S2). El tiempo de crecimiento de GaSb es de 10 min. Se observa que el comportamiento de crecimiento del GaSb es muy sensible a la temperatura de crecimiento. Claramente, a 480 ° C, en lugar de crecimiento axial, el GaSb tiende a crecer radialmente alrededor de los tallos de InAs oa lo largo de la dirección plana (Fig. 2a). Los detalles sobre el crecimiento radial de las capas de GaSb en los núcleos de InAs y el crecimiento plano de los nanocables de antimonuro se han informado en otros lugares [26, 27, 28]. Sin embargo, la situación cambia a medida que la temperatura de crecimiento de GaSb aumenta a 500 o 520 ° C, donde el crecimiento axial de los nanocables de GaSb se realiza en los tallos independientes de InAs (Fig. 2b, c). Las gotas de Ga en las puntas de los nanocables indican un mecanismo de crecimiento de vapor-líquido-sólido autocatalizado (VLS) de los nanocables de GaSb. El diámetro de los segmentos superiores de GaSb es generalmente más grueso que el de los segmentos de InAs, y el ancho creciente de los segmentos de GaSb en la interfaz InAs / GaSb indica que el tamaño de las gotitas catalíticas de Ga aumenta gradualmente en la etapa de crecimiento inicial de GaSb. Además, los segmentos de tallo mucho más delgados en la Fig. 2c pueden implicar que el crecimiento radial de GaSb se redujo gradualmente con el aumento de la temperatura de crecimiento de 500 a 520 ° C. Sin embargo, cuando la temperatura aumenta aún más a 545 ° C, parece que los nanocables de GaSb están creciendo a lo largo de la dirección plana o inclinada. Además, la mayoría de los tallos de InAs desaparecen y el diámetro de los tallos de InAs residuales es muy delgado (marcado por los círculos rojos en la Fig. 2d, y se muestran más imágenes SEM en el archivo adicional 1:Figura S3). Especulamos que los tallos de InAs se descomponen seriamente a la alta temperatura de crecimiento de 545 ° C, lo que resulta en la caída de los nanocables de GaSb durante el proceso de crecimiento. Por lo tanto, para obtener el crecimiento vertical de los nanocables de GaSb en los vástagos de los nanocables de InAs, la temperatura de crecimiento de los nanocables de GaSb debe controlarse cuidadosamente.

Las imágenes SEM inclinadas a 80 ° de los nanocables de GaSb cultivados en tallos de InAs en a 480 ° C, b 500 ° C, c 520 ° C y d 545 ° C durante 20 min. Las condiciones de crecimiento de los tallos de nanoalambres de InAs se mantuvieron constantes. Inserciones en b y c muestran imágenes SEM de mayor aumento. Los círculos rojos en d marcar los tallos residuales de InAs

La Figura 3 muestra las distribuciones estadísticas del diámetro y la longitud de los segmentos de GaSb mostrados en la Figura 2b, c, donde las temperaturas de crecimiento de GaSb son 500 y 520 ° C, respectivamente. Claramente, la distribución de tamaño de los nanocables de GaSb cultivados a la misma temperatura (puntos rojos o azules en la Fig. 3) demuestra que los nanocables más gruesos tienden a ser más largos. Este fenómeno también ha sido reportado para el crecimiento catalizado por Ga de nanocables GaAsP por MBE [29] y para el crecimiento catalizado por Au de nanocables de heteroestructura InAs / InSb por epitaxia de haz químico (CBE) [30] y nanocables InGaSb por MOCVD [31 ]. La razón se atribuye principalmente a la menor sobresaturación efectiva (Δ μ ) en las gotitas catalíticas más pequeñas. Para el mecanismo de crecimiento de VLS, la sobresaturación Δ μ , que es el cambio en el potencial químico por par III-V en la gota catalítica y el nanoalambre, es la principal fuerza impulsora para el crecimiento del nanoalambre. Durante el proceso de crecimiento autocatalizado, los nanocables se cultivan en un entorno rico en el grupo III y la concentración de los átomos del grupo V incorporados en la gota catalítica domina la sobresaturación efectiva. Para el crecimiento autocatalizado de nanocables de GaSb, la sobresaturación efectiva Δ μ está dominado por la concentración de átomos de Sb incorporados en las gotitas catalíticas de Ga. Por lo tanto, la sobresaturación efectiva Δ μ se puede presentar como [32, 33]

Datos estadísticos del diámetro y la longitud de los nanocables de GaSb cultivados a 500 y 520 ° C

$$ \ varDelta \ mu ={k} _ {\ mathrm {B}} T \ ln \ left ({x} _ {\ mathrm {Sb}} / {x} _ {\ mathrm {Sb}, \ mathrm { eq}} \ derecha) $$ (1)

donde k _B es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta. x _Sb y x _{Sb, eq} son la fracción atómica de Sb en las gotitas catalíticas de Ga durante el proceso de crecimiento de nanocables y en equilibrio con el cristal de nanocables de GaSb, respectivamente. Además, según la teoría clásica del crecimiento de cristales, la tasa de crecimiento axial del nanoalambre ( v ) se puede expresar como [34].

$$ v \ sim {\ left (\ varDelta \ mu / {k} _ {\ mathrm {B}} T \ right)} ^ 2 $$ (2)

Claramente, la tasa de crecimiento del nanoalambre depende en gran medida de la concentración de Sb x _Sb en las gotas de Ga. Debido al efecto de Gibbs-Thomson, la presión de vapor de Sb en las gotitas catalíticas puede aumentar significativamente a medida que disminuye el diámetro [35, 36]. Entonces, las gotas más pequeñas pueden desorber más fácilmente los átomos de Sb de las partículas catalíticas de Ga, lo que resultará en una concentración más baja de Sb ( x _Sb ) en las gotitas catalíticas de Ga más pequeñas. Como consecuencia, la sobresaturación efectiva en las gotas más pequeñas es menor que en las más grandes, reduciendo así la tasa de crecimiento axial de los nanocables de GaSb por el mecanismo de crecimiento autocatalizado.

Además, al comparar las distribuciones de tamaño de los nanocables de GaSb cultivados a 500 y 520 ° C, se observa que los nanocables de GaSb cultivados a 500 ° C (puntos azules en la Fig.3; diámetro y longitud promedio ∼206 y ~ 330 nm) tienen ambos de mayor diámetro y longitud que los nanocables de GaSb cultivados a 520 ° C (puntos rojos en la Fig. 3; diámetro y longitud promedio ∼168 y ~ 275 nm). Los nanocables más delgados cultivados a 520 ° C se pueden atribuir a la tasa de crecimiento radial más lenta de GaSb a una temperatura de crecimiento más alta. Sin embargo, para el crecimiento axial, además del efecto Gibbs-Thomson, el aumento de la temperatura de crecimiento también puede reducir la sobresaturación de las gotas y reducir aún más la tasa de crecimiento axial de los nanocables de GaSb [29, 37]. Por lo tanto, los nanocables de GaSb cultivados a 500 ° C son más grandes tanto en diámetro como en longitud que los nanocables de GaSb cultivados a 520 ° C.

Para determinar aún más los beneficios derivados de la asistencia de los nanocables de tallo, luego comparamos los nanocables de GaSb cultivados directamente en sustratos de Si y en tallos cortos de InAs, como se ve en la Fig. 4. Los nanocables de GaSb que se muestran en la Fig. 4a, b se cultivaron a 500 ° C, mientras que los nanocables de GaSb presentados en la Fig. 4c se cultivaron a 520 ° C. Claramente, los vástagos de nanocables de InAs juegan un papel crucial en el crecimiento exitoso de los nanocables verticales de GaSb. Como se muestra en la Fig.4a, los nanocables de GaSb cultivados directamente en sustratos de Si (111) prefieren crecer a lo largo de la dirección planar (hay más imágenes SEM disponibles en el archivo adicional 1:Figura S4), y especulamos que este problema de los nanocables de antimonuro directamente nucleados sobre sustratos se asocia con el efecto tensioactivo de los adatomas de Sb, que pueden disminuir el ángulo de contacto entre las gotas de Ga depositadas previamente y la superficie del sustrato de Si [38, 39]. Mientras que, como se muestra en la Fig. 4b, c, los nanocables verticales de GaSb se logran con la ayuda de los tallos cortos de InAs. Observamos que, en la Fig. 4b, c, el tiempo de crecimiento de los vástagos de nanocables de InAs se reduce a 20 s (lo que da como resultado que la longitud de los nanocables de InAs sea generalmente inferior a 120 nm), mientras que el tiempo de crecimiento de los nanocables de GaSb aumenta a 30 minutos. Todos los nanocables de GaSb tienen paredes laterales extremadamente lisas en toda su longitud sin ahusamiento visible. En particular, los segmentos del vástago de InAs tienen casi el mismo diámetro que los nanocables de GaSb superiores (como se muestra en el recuadro de la Fig. 4b, c), lo que indica que la tasa de crecimiento radial de GaSb alrededor de los vástagos de InAs es más rápida que la de los nanocables de GaSb superiores. . Esta diferencia podría estar asociada con el hecho de que los adatomeos reactivos difundidos desde la superficie del sustrato tienden a acumularse alrededor de las paredes laterales de los nanocables de InAs delgados y cortos, lo que resulta en la mejora local de la tasa de crecimiento radial de GaSb alrededor de los tallos de InAs. Finalmente, con suficiente tiempo de crecimiento, los nanocables desarrollados tienen un diámetro casi uniforme a lo largo de la dirección de crecimiento; También se ha observado el mismo comportamiento en el crecimiento de nanocables InSb basados en tallos cortos de InAs por MOCVD [40].

Las imágenes SEM inclinadas a 80 ° de los nanocables de GaSb cultivados sin tallos de InAs ( a ) y en las raíces cortas de InAs ( b , c ). Los nanocables de GaSb que se muestran en a y b se cultivaron a 500 ° C, mientras que los nanocables de GaSb en c se cultivaron a 520 ° C. Inserciones en b y c mostrar imágenes SEM de mayor aumento

Para examinar las características estructurales de los nanocables obtenidos, se llevaron a cabo mediciones TEM detalladas. La Figura 5a muestra una imagen TEM de campo claro (BF) de baja resolución de un nanoalambre de GaSb típico cultivado en un vástago de InAs a 520 ° C (como se muestra en la Fig. 2c). Después del crecimiento posterior del nanoalambre GaSb, el nanoalambre InAs más delgado tiene una morfología rugosa. Esto podría atribuirse a la pirólisis de InAs y al crecimiento radial irregular de GaSb durante el proceso de crecimiento de nanocables de GaSb. Las figuras 5b-e representan las imágenes TEM de alta resolución correspondientes (HRTEM) tomadas de las regiones marcadas con cuatro rectángulos rojos en la figura 5a. La micrografía HRTEM y el patrón asociado de la transformada rápida de Fourier (FFT) en la Fig. 5b revelan que el nanoalambre GaSb de crecimiento axial tiene una estructura cristalina ZB pura completamente libre de defectos planos, que se observa comúnmente en el crecimiento de nanocables de antimonuro. Sin embargo, los defectos planos ocasionales (planos gemelos (TP) y fallas de apilamiento (SF)) que se presentan en la parte superior y en la región de crecimiento temprano del nanoalambre GaSb (Fig.5c, d) pueden ser causados por una ligera fluctuación de las condiciones de crecimiento local durante el eventual proceso de enfriamiento y la etapa de transición inicial de InAs al GaSb superior. Además, los átomos de As residuales también pueden desempeñar un papel en la formación de defectos planos en la región de transición (como se muestra en los análisis de EDS a continuación). Por el contrario, como se muestra en la Fig. 5e, la estructura cristalina del tallo de InAs está compuesta por un politipo de estructuras WZ y ZB con un gran número de defectos planos a lo largo de su dirección de crecimiento; debido a la coexistencia de estructuras WZ y ZB, los puntos FFT correspondientes se dividen y se alargan ligeramente a lo largo de la dirección de crecimiento (recuadro en la Fig. 5e). Se ha demostrado que los defectos estructurales en los nanocables pueden provocar inhibiciones indeseables de la movilidad del portador [41] y, por tanto, reducir las propiedades de transporte en el sistema de heteroestructura de InAs / GaSb. Recientemente, se ha informado que la incorporación de Sb mejora eficazmente la calidad del cristal de los nanocables de InAs [42, 43], aumentando así en gran medida el potencial de la ingeniería de fase cristalina de los nanocables de InAs sin catalizadores extraños.

un Una imagen TEM de bajo aumento de un nanoalambre heteroestructura típico de InAs / GaSb. b - e Imágenes TEM de alta resolución (HRTEM) tomadas de las regiones marcadas con rectángulos rojos en ( a ) respectivamente. Todas las imágenes HRTEM se adquieren a partir del eje de zona 〈110〉. La línea discontinua roja en d indica la interfaz entre el vástago de InAs y el nanoalambre GaSb superior. Los recuadros en b y e son los correspondientes patrones de transformada rápida de Fourier (FFT) del nanoalambre GaSb y el tallo InAs, respectivamente

Las Figuras 6a-f muestran una imagen TEM de otro nanoalambre de heteroestructura de InAs / GaSb y los análisis de EDS correspondientes. Todas las mediciones de EDS utilizan las señales de emisión de Lα de In, As y Sb y la señal de emisión de Kα de Ga. El barrido de la línea EDS a lo largo de la dirección axial (Fig. 6b) y el mapeo elemental de la composición de nanocables (Fig. 6c-f) muestran que la gota contiene principalmente Ga y una pequeña cantidad de In, mientras que casi no se observa As o Sb, lo que confirma directamente el mecanismo de crecimiento autocatalizado de los nanocables de GaSb (porcentaje atómico del análisis cuantitativo de puntos EDS en el punto 1:Ga, 96,13%; In, 3,8%; As, 0; Sb, 0,07%, respectivamente. Los espectros EDS de análisis puntuales en los dos puntos se muestran en el archivo adicional 1:Figura S5). Esta concentración débil de In en la gota se atribuye principalmente a la disolución de los átomos de In en la gota de Ga durante la etapa de transición inicial de InAs a GaSb. Además, de acuerdo con el escaneo de líneas EDS en la Fig. 6b, el crecimiento de los nanocables GaSb comienza en los tallos de InAs, y a partir del análisis puntual de EDS de la distribución de la composición elemental en el punto 2 (Ga, 48,86%; In, 0,91%; Como, 0,70%; Sb, 49,53%), la relación estequiométrica de átomos de Ga y Sb en el segmento de GaSb crecido es aproximadamente 1:1. Sin embargo, las señales relativamente altas de Ga y Sb en la sección de InAs se originan del crecimiento radial de GaSb alrededor del tallo de InAs, y el gradiente elemental para las señales de In, As, Ga y Sb cerca de la interfaz puede ser causado principalmente por el In y As residual después de TMIn y AsH ₃ los flujos están apagados.

un La ilustración de los nanocables axiales de heteroestructura de InAs / GaSb y una imagen TEM de bajo aumento de un nanoalambre de InAs / GaSb desarrollado a 520 ° C. b Escaneo de línea EDS a lo largo de la línea roja marcado en ( a ). c - f Mapas de composición EDS del nanoalambre en ( a ), que muestra la distribución Ga, Sb, In y As. Dos puntos en a marcar las posiciones donde se realizaron los análisis de puntos EDS

Para analizar las propiedades ópticas de los nanocables de GaSb desarrollados, se realizaron mediciones Raman. La Figura 7 muestra los espectros Raman de un sustrato de GaSb (100) y los nanocables de GaSb cultivados en los tallos cortos de InAs. Se observan dos picos de dispersión en el espectro del GaSb en masa a aproximadamente 226,5 y 235,2 cm ⁻¹ (línea roja en la Fig. 7) y se atribuyen a los modos de fonón óptico transversal (TO) y óptico longitudinal (LO) de GaSb, respectivamente. Para los nanocables de GaSb, también se observaron claramente dos picos similares a aproximadamente 225,0 y 233,6 cm ⁻¹ en el espectro Raman (línea azul en la Fig. 7), lo que indica una alta calidad fotónica de los nanocables de GaSb obtenidos. En las mediciones de retrodispersión Raman, el modo de fonón TO está prohibido en la dirección (100), un pico pequeño del modo de fonón TO para el sustrato de GaSb (100) a granel podría atribuirse a una ligera desorientación o imperfección del sustrato [44]. Sin embargo, para los nanocables de GaSb, debido a que los nanocables crecen a lo largo de la dirección vertical (111) y con seis {110} paredes laterales, los modos de fonón TO y LO se pueden observar claramente en el espectro Raman. Además, en comparación con el GaSb a granel, los modos de fonón TO y LO de los nanocables de GaSb exhiben un cambio descendente débil. En las mediciones de dispersión Raman, tanto el confinamiento cuántico como los defectos pueden inducir el desplazamiento descendente de frecuencia de los picos de fonones [45]. Considerando que, debido al gran diámetro de los nanocables de GaSb crecidos, que casi no muestra ningún efecto de confinamiento cuántico, especulamos que este cambio descendente débil de la frecuencia de fonones puede estar asociado con defectos superficiales de los nanocables de GaSb. Con las velocidades de flujo de dos pasos de TMGa y TMSb, hemos logrado el crecimiento vertical de nanocables ZB GaSb puros en vástagos de InAs mediante MOCVD sin catalizadores extraños. Esperamos que optimizando aún más los parámetros de crecimiento, como la temperatura de crecimiento y diferentes combinaciones de las tasas de flujo de TMGa y TMSb en el proceso de crecimiento de dos pasos, se puedan lograr nanocables de GaSb con una relación de aspecto más alta.

Espectros Raman de un sustrato de GaSb (100) ( línea roja ) y los nanocables de GaSb ( línea azul ). Las líneas verdes son resultados del ajuste Lorentziano de múltiples picos

Conclusiones

En resumen, hemos demostrado el crecimiento autocatalizado de nanocables de GaSb en tallos de InAs mediante MOCVD. Para realizar el crecimiento de los nanocables de heteroestructura vertical de InAs / GaSb, primero usamos tasas de flujo de TMGa y TMSb relativamente bajas para preservar las gotas de Ga en los tallos de InAs. Luego, se aumentan los caudales de TMGa y TMSb para mejorar la tasa de crecimiento axial. Debido a la tasa de crecimiento radial más lenta de GaSb a una temperatura de crecimiento más alta, los nanocables de GaSb cultivados a 500 ° C tienen un diámetro mayor que los que crecen a 520 ° C. Sin embargo, para el crecimiento axial, debido al efecto Gibbs-Thomson y la reducción de la sobresaturación de las gotas con el aumento de la temperatura de crecimiento, los nanocables de GaSb cultivados a 500 ° C son más largos que los cultivados a 520 ° C. Las mediciones detalladas de TEM revelan que la estructura cristalina de los tallos de InAs es una mezcla de estructuras WZ y ZB, mientras que los nanocables GaSb superiores tienen una fase cristalina ZB perfecta, y los análisis Raman indican una alta calidad óptica de los nanocables GaSb obtenidos. El método de crecimiento presentado aquí puede ser adecuado para el crecimiento de otros nanocables basados en antimonide. Además, los nanocables de GaSb recién desarrollados en los vástagos de InAs pueden introducir nuevas posibilidades para aplicaciones en dispositivos basados en nanocables y para el estudio de la física cuántica.

Abreviaturas

CMOS:: Semiconductor de óxido de metal complementario
EDS:: Espectroscopía de energía dispersiva
FFT:: Transformada rápida de Fourier
LO:: Óptica longitudinal
MBE:: Epitaxia de haz molecular
MOCVD:: Deposición de vapor químico metalorgánico
SEM:: Microscopía electrónica de barrido
SF:: Fallo de apilamiento
TEM:: Microscopía electrónica de transmisión
TMGa:: Trimetilgalio
TMSb:: Trimetilantimonio
PARA:: Óptica transversal
TP:: Plano gemelo
VLS:: Vapor-líquido-sólido
ZB:: Mezcla de zinc

Dielectroforesis mejorada por calentamiento para película alineada de nanotubos de carbono de pared simple de densidad ultra alta Absorbedor perfecto de banda ultra estrecha y su aplicación como sensor plasmónico en la región visible

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

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Especias