Self-catalyzed GaAs nanowires

Abstract

Eines der zentrales Anliegen der Technologie des 21.Jahrhunderts ist die Produktion und Anwendung effizienter und miniaturisierter elektronischer Bauelemente. Zum Beispiel erweisen sich Galliumarsenid-Nanodrähte als überlegene Kandidaten für mehrere (opto-)elektronische Anwendungen, z.B. als Solarzellen. Allerdings sind wir derzeit nur wenige Schritte davon entfernt, die Nanodrähte in unseren Alltag zu bringen. In dieser Arbeit trägt der Autor zu einigen notwendigen Fortschritten bei der Synthese von Galliumarsenid-Nanodrähten auf wirtschaftlichen Si-Substraten bei, das sind: i) Engineering des Nanodrahtwachstums mit kontrollierter Größe und Position, die in zukünftigen Geräten erforderlich sind; ii) Entwicklung grundlegender Erkenntnisse bei der Integration der Nanodrähte auf Si-Plattformen durch In-situ-Monitoring der Nanodrähte während der Synthese. Der Autor demonstriert seine erfolgreichen Versuche, das Wachstum von vertikal ausgerichteten, selbstkatalysierten Galliumarsenid-Nanodrähten auf Si(111)-Substraten zu kontrollieren. Insbesondere werden die Nanodrähte durch einen Dampf-Flüssigkeit-Feststoff-Mechanismus innerhalb eines Molekularstrahlepitaxiesystems nach der Positionierung von Galliumtröpfchen gezüchtet. Auf dem nativen Oxid von Siliziumsubstraten konnte der Autor die Größe und Homogenität der Nanodraht-Arrays kontrollieren. Auf dem thermischen Oxid von Siliziumsubstraten konnte die Wachstumsposition des Nanodrahtes mit einem fokussierten Ionenstrahl genau definiert werden. Der Autor konnte auch einen signifikante Reduktion der Keimbildung von unerwünschten parasitären Objekten auf dem nativen und thermischen Oxid von Si-Substraten erreichen. Um die Qualität des Wachstums weiter zu verbessern, wurden Temperprozesse nach dem Wachstum untersucht, um das parasitäre Wachstum vollständig zu unterbinden und den Durchmesser der Nanodrähte zu verringern. Der Autor könnte das Wachstum einzelner Nanodrähte mit Hilfe eines einzigartigen in-situ Röntgenbeugungsexperiments überwachen. Insbesondere wurden die Nanodrähte während des Wachstums und des Rückwachstums (Tempern) von einem Mikrometer großen Röntgenstrahl innerhalb der Synthesekammer beleuchtet. Auf diese Weise wurde die Dynamik der Nanodraht-Kondensation und -Verdampfung extrahiert. Der Autor konnte Analysestrategien entwickeln, um einzelne Nanoobjekte unterschiedlicher Größe (0D, 1D), Kristallorientierung und Struktur zu identifizieren und in-situ zu charakterisieren. Dementsprechend wurden einige originäre Ergebnisse erzielt. Es wurde festgestellt, dass das Nanodrahtwachstum in zwei Phasen abläuft: nämlich i) axiales Wachstum in der Anfangsphase zusammen mit den Winkelinstabilitäten des Nanodrahts; gefolgt von ii) radialem Wachstum in der zweiten Phase zusammen mit der Winkelstabilisierung. Die in-situ-Überwachung während des Wachstums der Rückreaktion ergab, dass die Nanodrähte bei reduzierten Durchmessern Vibrationen oder Biegungen ausführen. Schließlich können die Nanodrähte nach längerer Verdampfung der Facetten flach auf das Substrat fallen. Interessanterweise werden bei Einwirkung der anfänglichen Wachstumsbedingungen die Vibrationen/Biegungen unterdrückt und die Neigung umgekehrt. Der Autor konnte eine periodische Schwingung der Nanodrähte sowohl während des Wachstums als auch innerhalb weniger 0,01° identifizieren, von der wir hoffen, dass sie in Zukunft weiter untersucht werden.

In the 21st century, one of the central concerns of technology is the production and application of efficient and miniature electronic devices. As one example, gallium-arsenide nanowires (NWs) are superior candidates for several (opto)electronic applications, e.g., solar cells. However, we are currently a few steps away from bringing the NWs into our daily lives due to incomplete developments in their engineering as well as basic science. In this thesis, the author makes contributions to necessary advancements in the synthesis of gallium-arsenide NWs on economical Si substrates. These contributions are: i) engineering of the NW growth with controlled size and position, which are required in future devices and ii) developing fundamental understandings in the integration of the NWs on Si platforms by in-situ monitoring of the NWs during synthesis. The author demonstrates his successful attempts in controlling the growth of vertically aligned self-catalyzed gallium-arsenide NWs on Si(111) substrates. In particular, the NWs are grown by the vapor-liquid-solid mechanism within a molecular beam epitaxy system after gallium droplet positioning. On the native oxide of silicon substrates, the author could control the size and homogeneity of the NW arrays. On the thermal oxide of silicon substrates, the NW growth position could be precisely defined using a focused ion beam. The author could also offer a significant decrease in nucleation of undesired parasitic objects on the both native and thermal oxide of Si substrates. To further enhance the quality of growth, aftergrowth annealing processes were studied, which could entirely remove the parasitic growth and decrease the diameter of the NWs. For the first time, the author could in-situ monitor the NW growth of individual NWs utilizing a unique in-situ X-ray diffraction experiment. In particular, the NWs were illuminated by a micrometer-sized X-ray beam within the synthesis chamber during growth and reverse-growth (annealing). In this way, the dynamics of NW condensation and evaporation were extracted. The author could demonstrate analysis strategies in order to identify, and in-situ characterize individual nano-objects of different dimensions (0D, 1D), sizes, crystal orientations, and structures. Accordingly, a few original findings were realized. It was found that the NW growth divides into two stages: i) axial growth at the initial stage along with angular unstablities of the NW; ii) radial growth at the second stage along with angular stabilization. The in-situ monitoring during reverse reaction growth revealed that the NWs undergo vibration/bending at decreased diameters. Eventually, the NWs can fall flat on the substrate after prolonged evaporation of the facets. Interestingly, when exposed to the initial growth conditions, the vibrations/bendings are suppressed, and the tilting is reversed. The author could identify a periodic oscillation of the NWs during both growth and reverse growth within a few 0.01°, which we hope that will be studied further in the future.