Разработка боковых граней вертикальных [100] ориентированных нанопроволок InP для новых радиальных гетероструктур

Введение

Большая площадь поверхности - одно из ключевых преимуществ нанопроволок по сравнению с обычными тонкими пленками. Это значительно увеличивает важность боковых граней нанопроволоки, которые образуют эти поверхности. Боковые грани нанопроволоки играют важную роль в управлении их морфологическими, структурными, электрическими, тепловыми и оптическими свойствами [1,2,3,4,5]. Радиальные гетероструктуры на основе нанопроволок напрямую связаны с гранями, на которых они выращиваются. Однородные боковые грани нанопроволоки, такие как {0–11}, в основном дают однородные радиальные гетероструктуры в нанопроволоках с ориентацией [111] [6, 7]. С другой стороны, рост на гранях, которые являются неоднородными с точки зрения кристаллической плоскости, полярности или размеров, можно использовать для создания сложных радиальных структур, таких как нанополости, квантовые ямы с новой геометрией, двойниковые сверхрешеточные нанотрубки и квантовые проволоки [8 , 9,10,11,12,13,14]. Различные скорости поверхностной рекомбинации и наноразмерные шероховатости разных типов граней влияют на рекомбинацию носителей и перенос фононов в нанопроволоках [3,15,16]. Форма поперечного сечения нанопроволоки, которая определяется типом граней и их относительными размерами, важна в приложениях, где нанопроволока используется в качестве оптического резонатора, поскольку она может влиять на типы и количество ограниченных мод [17, 18,19]. Кроме того, грани нанопроволоки можно использовать в качестве альтернативных шаблонов подложкам с рисунком для выращивания квантовых проводов и ям, тем самым устраняя необходимость в сложной обработке и формировании узора.

Ненитридные нанопроволоки III – V обычно выращивают на поверхностях (111) из-за легкости получения нанопроволок с вертикальной ориентацией [111]. В случае InP рост на подложках (111) обычно дает нанопроволоки фазы вюрцита (WZ) или двойные сверхрешетки из цинковой обманки (ZB) [20, 21], в результате чего профили граней состоят из {1-100}, {11-20 } или {111} фасеты типа. Форма поперечного сечения в основном шестиугольная или усеченно-треугольная. Изменение ориентации роста может быть использовано в качестве ключевого метода для демонстрации нетрадиционных комбинаций боковых граней и форм поперечного сечения [22, 23]. Помимо выращивания на стандартной для отрасли ориентации подложки и отсутствия дефектов ZB [24, 25], нанопроволоки <100> открывают совершенно новые семейства доступных граней, их комбинаций и результирующих форм поперечного сечения, таких как квадратные. и восьмиугольные формы, которые трудно получить в нанопроводах, выращенных в других ориентациях [22,23,24]. Эти грани и их комбинации, которые до сих пор недостаточно изучены, могут открыть много возможностей с точки зрения применений граней нанопроволоки, о которых говорилось выше.

В этой работе грани [100] -ориентированных нанопроволок InP спроектированы для получения различных типов граней и различной степени их комбинаций, с помощью которых реализуется ряд результирующих форм поперечного сечения. Новые формы поперечного сечения включают квадрат, прямоугольник, удлиненный шестиугольник, удлиненный восьмиугольник и идеальный восьмиугольник. Все обсуждаемые комбинации продемонстрированы при сохранении высокого выхода вертикального роста [100] нанопроволок с использованием методов, обсуждаемых в [24] и [26], что расширяет их возможности для использования в приложениях. Во-первых, обсуждается влияние условий роста на полученные грани, чтобы получить представление об их относительном образовании. Затем отжиг нанопроволок на месте после выращивания используется в качестве метода для дальнейшего достижения новых комбинаций граней, которые недостижимы путем простой настройки параметров роста, которые ограничиваются строгими требованиями к вертикальному росту [100] нанопроволок. Понимание взаимосвязи между относительным ростом граней и соответствующими условиями роста используется для достижения селективного роста только на некоторых гранях нанопроволоки и, следовательно, для формирования четырехсторонних разделенных радиальных гетероструктур нанопроволоки.

Методы

Нанопроволоки были выращены с использованием реактора для газофазной эпитаксии с горизонтальным потоком (MOVPE) с общей скоростью потока 15 ст.м., с использованием TMIn и PH ₃ в качестве предшественников. Были использованы два отдельных условия предварительного роста, которые, как сообщалось ранее, дают высокий процент [100] вертикальных нанопроволок на [100] ориентированных подложках InP [24, 26] (здесь вертикальный выход определяется как процент частиц катализатора в площадь образца, которая дает [100] вертикальных нанопроволок). Коллоидные частицы Au наносились на подложки с помощью слоя поли-L-лизина. В первом способе ( условие предварительного роста 1 ) подложки отжигались при 450 ° C под PH ₃ поток 8,93 × 10 ⁻⁴ моль / мин в течение 10 мин перед началом роста при той же температуре [24]. В этом исследовании в качестве затравочных частиц использовались частицы Au размером 30 нм, так как этот размер дает самый высокий процент вертикальных нанопроволок для предварительных условий 1 указанное выше. Во втором методе ( условие предварительного роста 2 ), вместо отжига, TMIn предварительно прогонялся в течение 15 с после повышения температуры до температуры роста 450 ° C [26]. В этом исследовании использовались частицы Au размером 50 нм в качестве предварительных условий 2 были оптимизированы для этого размера частиц [26, 27]. Выращивания, в которых использовались предварительные условия 1 , были основаны на условиях роста нанопроволоки, показанных в таблице 1, где указанный параметр варьировался, а другие оставались постоянными. Для более высоких темпов роста скорости потока TMIn время роста было сокращено, чтобы сохранить размеры нанопроволоки сопоставимыми.

Нанопроволоки, выращенные с использованием условия предварительного роста 2 были выращены с использованием параметров, показанных в таблице 2. Для ростков, где скорость потока TMIn была увеличена в три раза, время предварительного потока TMIn и время роста нанопроволоки были пропорционально сокращены.

Морфологический анализ проводили с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Zeiss Ultra Plus и FEI Helios 600 NanoLab, тогда как анализ с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ) выполняли с использованием ТЕМ JEOL 2100, работающих при 200 кВ. Поперечные сечения радиальных гетероструктур нанопроволоки были получены методом микротома. Фотолюминесценция (ФЛ) регистрировалась путем возбуждения одиночных нанопроволок, которые были нанесены на сапфировую подложку с использованием гелий-неонового лазера с длиной волны 633 нм и размером пятна ~ 1 мкм. Мощность возбуждения составляла 20 мкВт, фотолюминесценция регистрировалась детектором InGaAs с азотным охлаждением.

Результаты и обсуждение

Грани нанопроволоки обычно имеют тенденцию принимать плоскости с низким показателем преломления и низкой энергией, которые параллельны направлению их роста. В случае обычных нанопроволок, выращенных на подложках (111), чаще всего наблюдаются боковые грани {0-11} и {11-2} (или их эквиваленты WZ {1-100} и {11-20} грани), что дает гексагональные, треугольные или комбинированные формы поперечного сечения, такие как неагональные и додекагональные [22, 28]. На рис. 1а, б показан вид под наклоном и сверху в направлениях, перпендикулярных этим граням относительно направления роста нанопроволоки и подложки (111). В некоторых случаях, например, в гранях {11-2}, даже если фактические микроплоскости не параллельны направлению роста, комбинация таких плоскостей формирует результирующую плоскость, параллельную направлению роста [28].

Относительные направления граней в [111] (или WZ [0001]) и [100] ориентированных нанопроволок, ( a ) Наклонный вид относительных направлений на поверхности (111). ( б ) Вид сверху относительных направлений на поверхности (111). ( c ) Наклонный вид относительных направлений на поверхности (100). ( д ) Изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), нанопроволоки [100] и плоскости скола {011} подложки (100) InP, вид сверху. Указываются относительные направления, перпендикулярные граням.

В гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической структуре плоскости с низким показателем преломления, параллельные направлению [100], относятся к семействам {011} и {001}. Их направление относительно направления роста нанопроволок [100] показано на рис. 1в. На рисунке 1d показано СЭМ-изображение нанопроволоки сверху относительно плоскости скола {011} подложки InP, которое используется для упрощения идентификации граней. В таблице 3 показаны возможные комбинации и формы поперечного сечения, состоящие из вышеупомянутых граней с низким коэффициентом преломления {011} и {001}. Грани обоих семейств, {011} и {001} эквивалентны и неполярны. Однако поверхности {011}, которые немного срезаны в направлении роста [100] нанопроволоки (как это было бы в конической нанопроволоке), будут демонстрировать частичную полярность с парой граней (01-1) и (0-11). показывает частичную полярность B, обогащенную группой V, и противоположную (011) и (0-1-1) пару граней, показывающую обогащенную группой III частичную полярность A [24]. В условиях роста группы V с высоким содержанием V / III, аналогичных тем, которые использовались в этом исследовании, полярные грани A растут быстрее, чем полярные грани B [29,30,31]. Точно так же B полярные поверхности InP разлагаются намного быстрее, чем полярные поверхности A из-за двух неспаренных электронов, связанных с атомами P [32, 33]. Хотя связи не совсем похожи в текущем случае частичной полярности, аналогичные тенденции в реакционной способности можно ожидать из-за более высокой доли атомов P на наклонных гранях (01-1) и (0-11). Такая анизотропия между этими двумя типами граней делает возможными анизотропные геометрические типы III, V, VI и VII. Два типа ((01-1) / (0-11) и (011) / (0-1-1)) могут быть идентифицированы относительно невертикальных нанопроволок <111>, выращенных на одной и той же подложке, которая занимает группу Полярность "B" с окончанием V [24].

Здесь также следует упомянуть, что грани чуть ниже частицы образуют восьмиугольную форму, которая представляет собой многоугольник, состоящий из граней с низким показателем преломления, который наиболее близок к круглой форме [24]. Это, в свою очередь, позволяет частице сохранять форму, близкую к сферической, с минимальными искажениями и поверхностной энергией [21, 26]. В этой работе обсуждаются последующие стабильные грани и отчетливые формы поперечного сечения, которые развиваются позже (в пределах примерно 200 нм от капли), и составляют большую часть нанопроволок. Четкие боковые грани нанопроволок развиваются в основном с латеральным ростом. Кроме того, этому способствуют поверхностная диффузия и поверхностное испарение [28, 34]. Эти факторы ограничены кинетикой и термодинамикой, которые определяются параметрами роста во время роста нанопроволоки [28, 35]. По той же причине грани нанопроволоки зависят только от фактических условий их роста, а не от предварительных условий роста, обсуждаемых в разделе о методах.

Температура роста и соотношение скоростей потока прекурсора V / III являются наиболее важными параметрами при росте нанопроволок MOVPE [35]. Помимо этого, на динамику роста влияют и скорости потока прекурсора [35]. На рис. 2a – c показано изменение граней ориентированных [100] нанопроволок в зависимости от температуры роста, отношения V / III и скорости потока триметилиндия (TMIn) (при сохранении постоянного V / III) во время роста. Фасетный анализ выполняется с использованием изображений СЭМ вида сверху. Схемы каждого профиля также показаны для ясности. Все нанопроволоки, показанные на рис. 2, выращены с использованием предварительных условий 1 описано в разделе методов. Нанопроволоки с ориентацией <100> в серии (а) и (b), а также на панели (c) i имеют длину около 1 мкм. Нанопроволоки имеют схожую морфологию для большинства условий роста, и на вставке к рис. 2а (iii) показано СЭМ-изображение стандартного образца, вид сбоку под углом 45 °. Все нанопроволоки с ориентацией <100> показали одинаковый профиль граней для заданных условий роста, а виды сверху с большой площадью тех же наростов, что и на рис. 2, можно найти в дополнительном файле 1:рис. S1. Как видно на вставке сбоку на рис. 2a (iv), при температуре роста 475 ° C около трети вертикально зародышевых нанопроволок изогнуты в направлении <111> в верхней части нанопроволоки (см. Дополнительный файл. 1:Рисунок S2). Предполагается, что это произошло во время стадии охлаждения после роста с истощением In из частицы Au, как показано в [26]. В этом примере исследуются грани сегмента с вертикальной ориентацией [100], фокусируясь на нижней, не изогнутой части нанопроволоки.

Варьирование боковых граней нанопроволок с ориентацией <100> с основными параметрами роста. Серии в каждой строке соответствуют вариациям в ( a ) температуры роста, ( b ) Соотношение V / III, ( c ) Скорость потока TMIn (при сохранении постоянного V / III) по отношению к стандартному образцу, выращенному с условиями выращивания, указанными в таблице 1 в разделе методов. Белая стрелка в ( a ) iv указывает на более тонкую основу. Масштаб:100 нм.

Изменение температуры от 420 до 450 ° C радикально изменило грани с четырех граней {011} до четырех граней {001} за счет восьмиугольной формы, которая включает оба типа граней. Учитывая аналогичную высоту нанопроволоки в 1 мкм, нет существенной разницы в сужении от 420 до 450 ° C. Тенденция существенно меняется при температуре роста 475 ° C. Опять же, высота ориентированного [100] сегмента этих нанопроволок составляет 1 мкм, что позволяет напрямую сравнивать латеральный рост путем сравнения площади поперечного сечения. Радиальный рост нанопроволок обычно кинетически ограничен [35]. Это означает, что радиальный рост будет увеличиваться с повышением температуры. Вопреки этому ожиданию, общий боковой рост в этом случае меньше. Боковой рост в направлениях [01-1] и [0-11] очень мал, хотя нет большой разницы в боковом росте в направлениях [011] и [0-1-1] по сравнению с более низкими температурами роста. . Вид сбоку на нанопроволоки показывает, что некоторые нанопроволоки тоньше в основании (вставка на рис. 2а (iv)). Области, которые были выращены ранее, демонстрируют меньший латеральный рост, что говорит о том, что некоторое разложение поверхности и испарение имеют место при 475 ° C. Также следует отметить, что эти нанопроволоки <100> гораздо более склонны к термическому разложению по сравнению с ориентированными на <111> нанопроводами фазы WZ или ZB. В отдельном эксперименте, где нанопроволоки <111> фазы WZ и нанопроволоки ZB <100> были нагреты до более высокой температуры, было видно, что все нанопроволоки <100> полностью разложились при повышении температуры от 450 до 650 ° C, даже при более низких температурах. PH ₃ избыточное давление, в то время как <111> эквивалент <0001> нанопроволоки WZ все еще выжил (дополнительный файл 1:рисунок S3). Здесь аналогичный, более низкий уровень разложения может иметь место при относительно низкой температуре 475 ° C из-за низкой скорости потока PH ₃ и, следовательно, отсутствие чрезмерной защиты группы V. Разложение, конкурирующее с медленной скоростью роста, также может быть причиной отсутствия роста нанопроволоки при температуре роста 500 ° C.

Как обсуждалось ранее, наклонные грани {011} показывают частичную полярность, а наклонные грани (01-1) и (0-11) частично B-полярности могут быть более восприимчивыми к разложению [32, 33]. Это привело бы к усилению конкуренции со стороны разложения на фасетах (01-1) и (0-11) по сравнению с фасетами (011) и (0-1-1), ограничивая боковой рост на первых фасетах по сравнению с более низкими температурами роста, где разложения нет. Это приводит к сильно вытянутой форме, наблюдаемой при температуре роста 475 ° C.

Точно так же соотношение V / III должно играть роль в результирующей форме поперечного сечения с высоким отношением V / III, способствующим чрезмерному росту частично полярных, обрезных (011) и (0-1-1) граней и следовательно, усиление асимметрии в двух перпендикулярных направлениях <011>. Однако в исследуемом диапазоне V / III такой асимметрии не наблюдается (серия рис. 2б). Одной из причин этого является полный диапазон (от 200 до 700), который можно было экспериментировать в пределах ограничений реактора при сохранении высокого вертикального выхода, будучи относительно высоким с точки зрения соотношений V / III, обычно используемых в MOVPE. Таким образом, при СЭМ-анализе не наблюдается явных различий. Кроме того, поскольку более заметными боковыми гранями, которые продиктованы условиями роста, является {001}, эти асимметрии, возможно, уже заросли вместе с основной частью нанопроволоки, чтобы создать более заметные симметричные грани {001}.

Увеличение скорости потока TMIn (и, следовательно, скорости роста) приводит к изменению граней с {001} на {011} (рис. 2c (i – ii)). Учитывая большую длину нанопроволок, выращенных с более высокими скоростями потока TMIn (~ 1,5 и 2,5 мкм для скоростей потока 12 × и 20 × соответственно), параметр сужения (рассчитанный как, (средняя ширина нанопроволоки на основании диаметра полусферической НЧ) / (2 × средняя длина нанопроволоки)) фактически уменьшается с увеличением скорости потока, хотя абсолютный поперечный рост увеличивается, как показано в серии (c) на рис. осевой рост ограничен массопереносом, а радиальный рост ограничен кинетически [35, 36]. Хотя не было четких доказательств того, что текущий рост радиальной фасетки является кинетически ограниченным, увеличенный массоперенос, ограничивающий скорость осевого роста со скоростью потока предшественника, внес свой вклад в наблюдаемое поведение. Интересны фасеты, наблюдаемые для самого высокого исследованного расхода TMIn (~ 20 ×). Форма поперечного сечения примерно восьмиугольная, но она не содержит граней с низкой поверхностной энергией и / или с низким показателем преломления. Эти грани усложняются неправильными микрогранетками, видимыми вместе с боковыми гранями (см. Грань спереди на вставке СЭМ под названием 45 ° на рис. 2c (iii)). Хотя причина образования этих фасеток на данный момент не совсем ясна, одной из возможных причин может быть уменьшение диффузионной длины адатомов с увеличением их поступления [5, 37, 38]. В этом случае адатомы не смогут перемещаться достаточно далеко, чтобы встраиваться в узлы или грани с низкой энергией, а, скорее, встраиваются ближе к точке поглощения, образуя микрогранеты с более высокой энергией.

До сих пор можно было видеть, что большинство параметров роста, используемых для выращивания нанопроволок с использованием предварительных условий 1 привело к симметричным граням {001}. Самая низкая температура роста (420 ° C) и более высокая (~ 10 ×) скорость потока TMIn дали грани типа {011}. Однако эти два условия приводят к более низкой вертикальной доходности (<20%), как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S1. Следовательно, предварительные условия 2 , продемонстрированный Ван и др. [26] было исследовано, чтобы поддерживать высокий вертикальный выход при выращивании при высокой скорости потока TMIn и достигать грани типа {011}.

Как показано на рис. 3a, b, эти условия роста дали ~ 65–80% вертикальных нанонитей с нанопроволоками с ориентацией <100>, имеющими боковые грани {011}, как и ожидалось. Поперечное сечение удлинено в направлениях [011] ↔ [0-1-1] из-за более высокой скорости роста соответствующих граней, что приводит к прямоугольной форме. Следует отметить, что аналогичные условия роста привели к появлению боковых граней типа {001} в исходном исследовании [26, 27], и это могло быть связано с небольшими различиями, такими как конфигурация реактора и общий поток. Скорость потока TMIn может быть дополнительно увеличена в три раза до немного более высокого значения, чем использованное при росте, показанном на рис. 2c (iii), без ущерба для вертикального выхода (~ 72%), как показано на рис. 3d. В этом случае время предварительного заполнения частиц было сокращено в 3 раза, чтобы поддерживать процентное содержание In в частице почти таким же во время зародышеобразования. СЭМ-изображения вида сверху с большой площадью тех же наростов, что и показанные на рис. 3a, d, можно найти в дополнительном файле 1:рис. S4. Грани полученных нанопроволок, показанных на рис. 3e, аналогичны тем, которые ранее были замечены для очень высокой скорости потока TMIn на рис. 2c (iii). Это наблюдение еще раз подтверждает аргумент о том, что грани зависят только от условий роста, а не от предварительных условий. Далее эти грани дорабатываются для образования комбинаций с низким показателем преломления путем постростового отжига на месте.

Грани нанопроволок, выращенных с использованием технологии предварительной обработки TMIn ( a ) СЭМ-изображение под углом 45 ° для нанопроволок, выращенных с использованием технологии предварительной обработки TMIn и условий роста, приведенных в таблице 2 в разделе методов. ( б ) Вид сверху на нанопроволоки, показанные на (а). ( c ) Схема, показывающая профиль фасетки и направления по отношению к подложке в ( b ). ( д ) СЭМ-снимок под углом 45 ° для нанопроволок, выращенных с использованием технологии предварительной продувки TMIn и в 3 раза большей скорости потока, чем у (a ) и ( b ). ( е ) Вид сверху нанопроволоки из ( d ).

После роста стабильность профилей граней нанопроволоки определяется поверхностной энергией и отношением поверхности к объему [23, 39]. Поверхностная энергия в основном зависит от типа грани, например, грани {011} имеют более низкую поверхностную энергию по сравнению с гранями {001} [40, 41]. Отношение поверхности к объему, равное отношению длины окружности к площади (при условии постоянной высоты нанопроволоки), определяется формой поперечного сечения; восьмиугольное поперечное сечение имеет меньшее соотношение по сравнению с квадратным поперечным сечением. Отжиг может обеспечить тепловую энергию для преодоления кинетического энергетического барьера для поверхностной миграции атомов [28], в результате чего профиль грани минимизирует общую энергию, связанную с поверхностью, с оптимальным балансом между типами граней и формой поперечного сечения. Количество подводимой тепловой энергии можно регулировать двумя параметрами отжига, а именно температурой и временем. Они, в свою очередь, будут контролировать объем перемещаемого материала и расстояние, на которое могут перемещаться атомы, и, следовательно, результирующие профили граней нанопроволок.

Как указывалось ранее, нанопроволоки <100> не могут выдерживать высокие температуры отжига, что ограничивает диапазон параметров с точки зрения температур отжига. Таким образом, время отжига было использовано в этом исследовании для создания граней. Отжиг проводился сразу после выращивания при 550 ° C в течение от 20 с до 10 минут в условиях PH ₃ . избыточное давление. Следует отметить, что поверхностная миграция также имеет место во время повышения температуры от температуры роста 450 ° C до температуры отжига 550 ° C, что заняло около 210 с.

На рис. 4a (ii), b (ii) показаны полученные грани после отжига для нанопроволок, показанных на рис. 3a, b и d, e, в течение 20 и 210 с соответственно. В обоих случаях произошла поверхностная миграция, при этом форма поперечного сечения превратилась в удлиненную восьмиугольную форму. Эта форма имеет меньшее отношение длины окружности к площади, чем исходная прямоугольная форма в случае серии нанопроволок, показанных на фиг. 4a. Что касается нанопроволок, показанных на рис. 4b, можно видеть, что грани с высоким показателем преломления превратились в грани с низким показателем {001} и {011}, которые имеют более низкую поверхностную энергию. Наличие нескольких промежуточных стадий в процессе перегруппировки может быть причиной того, что время отжига, необходимое для получения нерегулярных ограненных нанопроволок на рис. 4b (i – ii), в десять раз больше времени отжига, чем показано на рис. 4a, где могла иметь место прямая миграция. Дальнейший отжиг этих граней в течение 6,5 мин завершил процесс миграции поверхности, в результате чего получилось симметричное восьмиугольное поперечное сечение. Эта эволюция формы снижает результирующую общую поверхностную энергию за счет уменьшения отношения поверхности к объему (или окружности к площади), несмотря на усадку граней {011} и образование и расширение граней {001} с относительно более высокой энергией в процесс.

Фасетная инженерия методом постростового отжига. СЭМ-изображения на виде сверху, показывающие ( a ) фасеточная эволюция нанопроволок с гранями {011} после отжига в течение 20 с. ( б ) фасеточная эволюция нанопроволок с высоким показателем преломления граней после отжига в течение 210 и 600 с. Обратите внимание, что видимое удлинение частицы Au, видимое на виде сверху на ( a ) ii, ( b ) ii и ( b ) iii обусловлено титрованием частиц Au (как показано на вставке вида сбоку к a ii) по отношению к направлению роста во время отжига и / или охлаждения. Все масштабные линейки - 500 нм

Дополнительный файл 1:Таблица S1 расширяет Таблицу 3 в основной рукописи, чтобы включить экспериментальные параметры отжига до роста, роста и после роста, которые приводят к формам поперечного сечения, теоретически предсказываемым для нанопроволок <100>, при максимальном вертикальном выходе.

Как обсуждалось во введении, неоднородные боковые грани можно использовать для создания сложных радиальных гетероструктур. На рис. 5а, б показаны два примера того, как продолжающийся преимущественный и анизотропный рост последующих слоев может создавать нетрадиционные радиальные гетероструктуры. На рис. 2c (ii) и 3a – c было видно, что более высокая скорость потока прекурсора приводит к образованию граней {011}. Это означает, что в этих условиях грани {001} растут быстрее. На рисунке 5a показан In _0,55 Ga _0,45 В виде слоя, выращенного на ядре нанопроволоки InP с ориентацией [100] с более крупными гранями {001} с общим расходом группы III 1,23 × 10 ⁻⁵ моль / мин, что является относительно высоким показателем и сопоставимо с теми, при которых образуются грани {011} для нанопроволок InP. Хотя поведение граней из разных материалов может незначительно отличаться, здесь также видно, что предпочтительный и более быстрый рост на гранях {001} при высоких общих скоростях потока прекурсора привел к росту разделенных пластинок оболочки InGaAs на гранях {001}. . Другой слой InP, выращенный с умеренной скоростью потока прекурсора, мог бы инкапсулировать всю структуру, чтобы сформировать пластины с квантовыми ямами (КЯ), которые отделены друг от друга, в отличие от трубчатых радиальных КЯ, которые обычно наблюдаются в ZB <111> или WZ. <0001> ориентированные нанопроволоки [10, 42]. Помимо квантовых ям, эта концепция также позволит проектировать и изготавливать четырехсторонние устройства на боковых гранях нанопроволок [7].

Структурные и оптические свойства роста гетероструктур на гранях нанопроволоки [100]. Схематическое изображение и изображения поперечного сечения, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) ( a ) разделяли пластинки оболочки InGaAs, выращенные на преимущественно ограненной {001} нанопроволоке с использованием высокой скорости потока. На вставке показана индексированная дифракционная картина, относящаяся к изображению ПЭМ. ( б ) Квантовые проволоки InGaAs, выращенные на удлиненной восьмиугольной нанопроволоке с поперечным сечением и меньшими гранями {001} с использованием высокой скорости потока. На вставках схемы радиальных гетероструктур. ( c ) ФЛ при комнатной температуре от одиночной нанопроволоки из того же образца, что и ( b ) яркое излучение наблюдается из КЯР, а излучение InP видно в виде очень слабого пика

На рисунке 5b показан аналогичный рост слоя InGaAs, выполненный на сердцевине нанопроволоки InP с вытянутой восьмиугольной формой поперечного сечения (тип V в Дополнительном файле 1:Таблица S1) с меньшими гранями {001}. Здесь более быстрый рост InGaAs на гранях {001} привел к образованию квантовых проволок (QWR), которые проходят вдоль четырех краев {001} сердцевинной нанопроволоки. Последующий слой InP, выращенный при средней скорости потока TMIn 6,75 × 10 ^-06 моль / мин ограничивает рост, завершая барьер QWR. На рис. 5в показан характерный спектр ФЛ при комнатной температуре от одной нанопроволоки из того же образца. Яркое излучение наблюдается на расстоянии около 1,31 мкм от QWR, в то время как излучение ядра InP и барьера едва заметно, демонстрируя эффективный захват носителей заряда QWR, выращенными на четырех гранях {001}. Широкий спектр излучения может быть связан с небольшими различиями в размере между четырьмя квантовыми ямами и небольшими колебаниями толщины по длине нанопроволоки (см. Дополнительный файл 1:рисунок S5).

Выводы

Грани [100] ориентированных нанопроволок были спроектированы для получения различных комбинаций граней, приводящих к формам поперечного сечения от квадрата до восьмиугольника. Это было достигнуто при сохранении высокого выхода вертикальных нанопроволок. Фасеты нанопроволоки зависели исключительно от параметров роста, и было замечено, что медленные темпы роста приводили к фасетам типа {001}, в то время как быстрые темпы роста в основном давали фасеты {011}. Грани были дополнительно сконструированы путем постростового отжига на месте для образования восьмиугольного и удлиненного восьмиугольного поперечного сечения, состоящего из комбинации граней {011} и {001}. Новые грани [100] нанопроволок и их относительный предпочтительный рост были изменены для демонстрации оптически активных новых типов радиальных гетероструктур. Эти результаты должны повысить интерес к этим нанопроволокам, выращенным на подложках, ориентированных на промышленный стандарт (100), в широком спектре новых приложений, основанных на сложных архитектурах нанопроволок.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, использованные и / или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны у соответствующего автора по разумному запросу.

Сокращения

MOVPE:

Эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений

PL:

Фотолюминесценция

QW:

Квантовая яма

QWR:

Квантовая проволока

SEM:

Сканирующая электронная микроскопия

ТЕМ:

Просвечивающая электронная микроскопия

TMIn:

Триметилиндий

WZ:

Вюрцит

ZB:

Цинковая обманка