(Phys.org) — Halfgeleider nanodraden (NW's) zijn verwaarloosbaar klein:NW's van een recente batch gemaakt door wetenschappers van de Quantum Electronics and Photonics Division van PML hebben een diameter van ongeveer 200 nanometer (minder dan 1/500ste van de dikte van een mensenhaar) en 6 tot 10 micrometer lang, met ingebedde lagen zo dun als 3,3 nm. Maar ondanks hun grootte, halfgeleider-NW's zijn klaar om een ​​zeer grote rol te spelen in halfgeleiderverlichting, chemische sensoren, en wetenschappelijke sondes op nanoschaal.

Eerst, echter, onderzoekers zullen moeten bepalen hoe hoog-efficiënte NW light-emitting diodes (LED's) kunnen worden gefabriceerd die betrouwbaar uniform zijn in samenstelling en morfologie, elk met hetzelfde optische emissiespectrum en andere kritische eigenschappen. En dat, beurtelings, vereist een gedetailleerd begrip van hoe de optimale plaatsing en lokalisatie van verschillende atoomsoorten kan worden bereikt terwijl de draad en zijn verschillende lagen worden gevormd.

Nu Norman Sanford en collega's van de Optoelectronic Manufacturing Group, met medewerkers van de Colorado School of Mines, hebben in een nieuwe studie grote vooruitgang geboekt in de richting van dat doel. Ze gebruikten de kenmerkende moleculaire bundelepitaxie (MBE) -methode van de groep om GaN-nanodraden te laten groeien met dunne lagen InGaN ingebed met tussenpozen. Om zo'n NW als lichtbron te gebruiken, er wordt een spanning op de draad gezet, en de InGaN-secties vormen kwantumbronnen die elektron-gatparen vangen die recombineren om luminescentie te produceren.

"De kwantumbron maakt dit recombinatie-luminescentieproces veel efficiënter dan wanneer je gewoon een simpele, abrupte pn-overgang in GaN, "zegt Sanford. "Echter, om een ​​efficiënte bron van luminescentie te zijn binnen een smalle golflengteband, de kwantumput moet compact en uniform blijven. Als het indium diffundeert naar de omliggende regio's, de put wordt uitgespreid, en het zal niet efficiënt werken. Verschillende ruimtelijke delen met verschillende indiumconcentraties hebben verschillende bandafstanden en hebben dus de neiging om licht uit te zenden met verschillende golflengten. We wilden onderzoeken welke factoren van invloed zijn op het feit of een put gelokaliseerd blijft of zich verspreidt naarmate de structuur groeit."

Optimale groeiomstandigheden voor de afzonderlijke GaN- en InGaN-segmenten kunnen verschillen. Dus de onderzoekers fabriceerden verschillende NW's over een reeks van temperaturen en moleculaire bundeleigenschappen, en onderzocht vervolgens het effect dat die omstandigheden hadden op de putten. Om dit te doen, ze gebruikten een versie van een techniek genaamd laser-assisted atom probe tomography (L-APT). In een ultrahoge vacuümkamer bij ongeveer 54 K, een constante hoge spanning wordt toegepast op een NW. Tegelijkertijd, energie van een gepulste ultraviolette laser wordt gericht op de uiterste punt van de draad. Atomen aan het uiteinde ioniseren, worden uit de punt onder het hoge elektrische veld getrokken, en reizen naar een tweedimensionale ionendetector op ongeveer 90 mm afstand.

De detector registreert de locatie van elk aankomend ion; vervolgens door de laserpulsen te gebruiken als timingsignalen, onderzoekers kunnen de vluchttijd van elk ion bepalen - en daarmee de verhouding tussen lading en massa. De ionenimpactgebeurtenissen op de detector worden vanaf de monstertip terug naar hun oorsprong in kaart gebracht, en de verzamelde gegevens worden gebruikt om een ​​driedimensionaal beeld op te bouwen van de chemische samenstelling van elk deel van de draad.

De groep ontdekte dat de omstandigheden van draadvorming een zeer significant effect hadden op de lokalisatie van InGaN-lagen. "Het is mogelijk om diffusie en verspreiding van de InGaN-lagen te induceren als de groeiomstandigheden van de volgende GaN-lagen niet correct zijn aangepast om ervoor te zorgen dat de InGaN-regio's intact blijven, " zegt Sanford. "In sommige gevallen vinden we dat de consolidatie van de InGaN-lagen kan worden vernietigd tijdens de daaropvolgende groei van een GaN-segment - zelfs zonder duidelijke uiterlijke tekenen hiervan die in de nanodraden worden onthuld. Bovendien, de InGaN-kwantumbronnen die gelokaliseerd blijven, blijken de vorm te hebben van dunne conische InGaN-schillen die zijn ingebed in de GaN-nanodraden (en axiaal concentrisch daarmee) in plaats van platte schijfachtige structuren.

"L-APT is bijzonder geschikt om een ​​3D-weergave van de InGaN-kwantumbronnen en de verdeling van indium door het nanodraadapparaat te laten zien. Voor zover we weten, dit is de eerste keer dat L-APT is gebruikt om de impact van variaties in groeiprocessen in de studie van deze structuren te onderzoeken. transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie.

De wetenschappers ontdekten ook dat het variëren van bepaalde L-APT-parameters, zoals de laserpulsenergie, kan onechte metingen van de schijnbare verhouding van gallium en indium tot stikstof veroorzaken, wat wijst op een schijnbare (maar niet-fysieke) overvloed aan metaalbestanddelen in vergelijking met stikstof. Dit fenomeen, de onderzoekers speculeren, kan het gevolg zijn van hoge laserpulsenergieën waardoor neutrale stikstofatomen uit het NW desorberen. Die atomen zouden niet worden geteld door de ionendetector.

Niet verrassend, het is buitengewoon moeilijk om individuele nanodraden van deze afmetingen te manipuleren. Voor de L-APT-analyse, een wolfraammanipulatorsonde werd met platina aan een enkele draad "gelast". Vervolgens werd de draad in een in de monsterpaal geboord gat geplaatst en erin gelast. de manipulatorsonde is afgebroken, de NW verticaal op de paal laten staan ​​en klaar voor L-APT-analyse.

"Waarschijnlijk is de grootste uitdaging het bedenken van een betrouwbaar montageschema, zodat de monsters het hele L-APT-analyseproces overleven zonder catastrofale breuken, "zegt Sanford. "Er waren tientallen pogingen tot montage van monsters nodig om de gepresenteerde resultaten te bereiken. Het probleem doet zich voor omdat de elektrische veldsterkte aan de punt van het monster tijdens bedrijf in de orde van 10 V/nm ligt. Dat is een behoorlijk hoog elektrisch veld, maar het moet zo hoog zijn om ionen en clusters van ionen direct van de monstertip af te scheuren voor daaropvolgende vluchttijd-massaspectraalanalyse. We werken nog steeds aan het verbeteren van het monstermontageschema om het betrouwbaarder en levensvatbaarder te maken."

Maar voor nu, "zelfs met de waarschijnlijke dubbelzinnigheid in de absolute 3D-concentratiekartering van stikstof, " zegt Sanfords collega Kris Bertness, leider van het project Semiconductor Metrology for Energy Conversion, "het is duidelijk dat de L-APT-opgeloste 3D-mapping van gallium en indium heeft, Voor de eerste keer, essentiële informatie verstrekt om het groeiproces voor deze belangrijke GaN/InGaN-heterostructuren op nanoschaal te begeleiden."