Search

Semiconductor nanowires have properties that make them potentially useful for applications in future electronic, photovoltaic, and optoelectronic devices. A powerful nanowire fabrication technique is the use of a nanoparticle as a preferential nucleation site, from which a nanowire grows. There has been significant progress in nanowire growth assisted by Au nanoparticles over the past 20 years. However, the high cost of gold and its incompatibility with silicon are obstacles to the industrial production of III–V nanowires. Therefore, significant efforts have been devoted to developing alternatives to Au-seeded nanowire growth. Although numerous metals and alloys are available, the development of alternatives to Au has been slow. The metal nanoparticles must have a high material quality and narrow size distribution, and their concentration must be controlled to enable precise experiments, and, in the future, high yields of identical devices.In the work described in this thesis, a spark discharge generator was used to synthesize and characterize a wide range of metal nanoparticles: Ag, Au, Bi, Co, Pb, Pd, Pt, Rh, and Sn, as well as three alloys: Ag25Au75, AgAu, and Ag75Au25. The nanoparticles were formed as an aerosol in an inert carrier gas of N2, and H2 was added to prevent the oxidation of base metals such as Bi, Co, and Sn. The nanoparticles were then either deposited on III–V substrates for nanowire growth using metal organic chemical vapor deposition, or used directly for gas- phase nanowire growth in an Aerotaxy reactor. The nanoparticle melting temperature is governed by its composition, primarily controlled by the choice of initial metal and the concentration of the group III material during nanowire growth. The nanoparticle composition was investigated after growth using transmission electron microscopy. For Pd-seeded GaAs or InAs a high group III content was found to be correlated with straight vertical nanowires, in contrast to kinked curly nanowires. Nearly identical InAs nanowires could be grown from In-rich Au and Pd nanoparticles, and the transition to curly nanowires could be triggered by reducing the In concentration. Initiating growth in a stable In-rich regime might provide a means of using other seed metals, which could reduce the cost, may be compatible with Si, and potentially add new benefits of the added seed metal. For example, the growth of GaAs nanowires by Aerotaxy from Au and AgAu nanoparticles is simple, but when pure Ag nanoparticles were used the nanowires developed kinks at an early stage of growth, possibly due to the higher melting point.

This dissertation deals with the geometric and electronic structure of surfaces on III–V semiconductor nanowires (NWs). NWs made of InAs, GaAs, and InP have been studied using scanning tunneling microscopy/spectroscopy (STM/S), low energy electron microscopy (LEEM), photoemission electron microscopy (PEEM), and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS). All of the mentioned techniques have been developed to study 2-dimensional samples and issues related with the adaption to 3-dimensional nanostructures are discussed, together with solutions on how to overcome them. Preparation techniques of NW samples for surface science studies, including an effective and seemingly non-destructive deoxidation routine using atomic hydrogen have been developed. Using STM/S, it has become possible to study the atomic arrangement at NW surfaces and evaluate the electronic structure with very high spatial precision. NWs have been studied showing metallic surfaces due to step induced states, Fermi level pinned surfaces, and unpinned surfaces allowing for general probing of NW properties. With the STM, it was possible to image from micrometers along individual NWs down to the atomic scale evaluating, among other things, tapering, surface morphology, and surface reconstructions. Using LEEM/PEEM as a novel tool for NW studies, it has become possible to determine electronic and geometrical properties of NWs using low energy electrons or photoelectrons. NW dopant incorporation, work function, and surface atomic arrangement were studied. In addition, XPS was used to study NW surface chemistry and interfacial chemistry for NWs covered in high-κ oxides Nanoteknologi handlar om att på ett kontrollerat sätt utnyttja strukturer med minst en dimension i nanometerområdet (i storleksordningen 1 till 100 miljondels millimeter). Nanostrukturer har använts under lång tid och redan under medeltiden användes guldpartiklar av varierande storlek för att tillverka infärgade glas. Idag använder vi nanoteknologi dagligdags, t.ex. i våra mobiltelefoner. Sedan 60-talet har så kallade halvledarmaterial (främst kisel) revolutionerat vårt sätt att se på världen genom de uppfinningar som de har gett upphov till, exempelvis datorer. Halvledare är väldigt användbara då vi kan styra deras elektriska ledningsförmåga från isolerande till nästan metalliska. Solceller, lysdioder, och transistorer bygger alla på halvledarmaterial och klassiskt har dessa tillverkats (”odlats”) i två dimensioner (2D) med olika funktionella lager ovanpå varandra. Under mer än 10 år har det i Lund forskats på ett nytt sätt att odla halvledare: som nanotrådar. Nanotrådar har en diameter i storleksordningen tiotals nanometer och kan vara 100 gånger längre än vad de är tjocka. Att odla materialet i trådform har visat sig väldigt fördelaktigt då det bl.a. ger en möjlighet att kombinera material som inte går att få att passa ovanpå varandra vid 2Dodling. När saker görs mindre ökar andelen yta i förhållande till volym (bulk) och på grund av de små tjocklekarna för nanotrådar är mängden yta i förhållande till bulk väldigt stor. Det har en betydande påverkan på de elektroniska egenskaperna som härleds från hur atomerna är placerade i materialet (kristallsymmetrin). Vid ytan bryts per definition symmetrin och ytegenskaperna kommer därför skilja sig från de som finns inuti bulken. Eftersom ytan är den plats vid vilken materialet interagerar med omvärlden är det av yttersta vikt att veta dess egenskaper. Om man vet hur atomerna är arrangerade på ytan och deras kemiska tillstånd har man goda möjligheter att t.ex. förutspå vilka gaser som kan fastna på ytan, något som är viktigt vid tillverkning av sensorer. I den här avhandlingen beskriver jag tillvägagångssätt för att använda klassiska ytkaraktäriseringsmetoder för bestämning av atomers position samt deras elektroniska egenskaper för flera olika sorters halvledarnanotrådar. Metoderna som jag har valt att använda mig av är sveptunnelmikroskopi, lågenergielektronmikroskopi, fotoemissionselektronmikroskopi, och fotoelektronspektroskopi. I sveptunnelmikroskopi låter man elektroner tunnla – ett kvantmekaniskt fenomen där elektronerna kan passera barriärer som de klassiskt inte borde kunna – mellan provet och en atomärt skarp metallspets. Genom att flytta spetsen med oerhört hög precision (noggrannhet på 1 miljarddels millimeter) går det att mäta hur många elektroner som tunnlar på olika platser på provet. Med den informationen går det att visualisera var olika atomer finns på ytan och deras elektroniska egenskaper. I ett lågenergielektronmikroskop låter man elektroner med låg rörelseenergi interagera med provet och genom att undersöka hur elektronerna sprids kan man bilda sig en uppfattning om atompositioner på ytan. Ytkänsligheten kommer av att elektroner med låg energi sprids väldigt lätt och kan därför bara interagera med de översta atomlagren i provet. I ett fotoemissionselektronmikroskop belyser man provet med högintensivt, monokromatiskt, röntgenljus (synkrotronljus) vilket leder till emission av fotoelektroner. Genom att studera varifrån elektroner med olika rörelseenergi emitteras går det att bestämma vilka ämnen som finns på provet och var, deras kemiska tillstånd (t.ex. om de är oxiderade), samt eletroniska egenskaper såsom utträdesarbete. Elektronerna som studeras har även här låg energi vilket gör att metoden klassas som ytkänslig. Fotoelektronspektroskopi fungerar på ett liknande sätt, där röntgenljus får infalla på ett prov vilket leder till emission av elektroner. I fotoelektronspektroskopiuppställningen går det att få mycket högre energiupplösning än i mikroskopiuppställningen vilket gör att man t.ex. kan differentiera mellan olika oxider. I avhandlingen har jag studerat nanotrådar av 3 olika halvledarmaterial: galliumarsenid (GaAs), indiumarsenid (InAs), och indiumfosfid (InP). Dessa material besitter flertalet egenskaper som gör dem högintressanta för framtida optik- och elektroniklösningar. Exempelvis så rör sig elektroner väldigt snabbt i materialen (hög mobilitet) vilket gör att de lämpar sig väl för höghastighetselektronik. En intressant detalj med nanotrådar är att man kan ändra hur atomerna placerar sig i materialet genom att ändra odlingsparametrar. Som nämndes tidigare bestämmer atomernas position de elektroniska egenskaperna och de subtila skillnaderna mellan ett material odlat i olika kristallstrukturer har länge debatterats. Genom att studera nanotrådarna med flera olika tekniker hag jag kunnat utröna vad som händer både med atomernas position och deras elektroniska egenskaper då kristallstrukturen varieras. De upptäckterna är av intresse för såväl grundforskning som för tillämpningar inom exempelvis elektronik.