[論文レビュー] Spatially resolved Raman spectroscopy study of uniform and tapered InAs micro-nano wires: Correlation of strain and polytypism

Vandna K. Gupta, Alka Ingale+3 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2016

Nanowire Synthesis and Applications参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、空間的に分解能のあるラマン分光法を用いて、InAs マイクロナノワイヤーにおけるひずみおよび多型性を調査し、212–218 cm⁻¹ のピークが、ジンク・ブラインド型のTOおよびウルツァイト型のE2hフォノンの重ね合わせに起因することを明らかにした。ウルツァイト相とジンク・ブラインド型相の割合は、局所的な成長条件および直径に依存し、傾斜のあるワイヤーにおいてひずみ誘起周波数シフトおよび熱膨張率の違いが定量的に評価された。これにより、ワイヤーの長さに沿って10～19 × 10⁻⁶/K の有効熱膨張率が測定可能となった。

ABSTRACT

The asymmetric peak at 212 - 218 cm-1 occurring in InAs micro-nano wires is investigated using spatially resolved Raman spectroscopy (SRRS) of uniform, bent and long tapered MNWs grown on a Si (001) substrate. It is attributed to superposition of E2h phonon (wurtzite : WZ) and TO phonon (zinc blende : ZB) of InAs. Polarized and wavelength dependent SRRS establishes the presence of WZ and ZB phases in these MNWs. However, formation of WZ phase for larger diameter InAs MNWs is not commensurate with existing growth mapping studies, which needs to be understood further. Study of several of these MNWs suggest that the fraction of WZ to ZB in a MNW is decided not only by diameter, but also by local growth seeding/conditions leading to either tapered or uniform MNWs formation, although, external growth conditions are same. Variation of these frequencies that from bulk value are correlated to residual stress generated in ZB and WZ phases due to presence of WZ and ZB phases, respectively. Consistently, temperature dependent Raman data shows that there is a measurable contribution of stress to dw/dT, a positive for ZB and negative for WZ phonons, due to difference in their thermal expansions. Further, effective thermal expansion coefficient of WZ InAs in presence of ZB phase is calculated to vary in the range 10 - 19 x 10-6/K from base to tip of a MNW at 80 K, which is not possible to determine otherwise.

研究の動機と目的

• InAs マイクロナノワイヤーにおける212–218 cm⁻¹ の非対称ラマンピークの起源を理解すること。
• ひずみおよび局所的な成長条件が、InAs ナノワイヤーにおけるジンク・ブラインド型とウルツァイト型の相形成に果たす役割を特定すること。
• 直径の変化およびワイヤーの形状（均一型対傾斜型）を、相分布および残留応力と関連付けること。
• 傾斜のあるナノワイヤーの長さに沿って、ウルツァイト型InAsの有効熱膨張率を定量的に評価すること。
• 観察された大径ワイヤーにおけるウルツァイト型相形成と、既存の成長マッピングモデルとの不一致を解消すること。

提案手法

• 直径および形状が異なる個々のInAsマイクロナノワイヤーに沿ってラマンモードをマッピングするために、空間的に分解能のあるラマン分光法（SRRS）が用いられた。
• 偏光および波長依存性のあるSRRSを用いて、ウルツァイト型（E2h）およびジンク・ブラインド型（TO）フォノンの寄与を区別した。
• 80 K から室温までの温度依存ラマン測定を実施し、フォノン周波数の温度微分（dw/dT）およびそのひずみ依存性を分析した。
• バルク値からの周波数シフトを、ウルツァイト型およびジンク・ブラインド型相における残留応力と関連づけた。
• 傾斜のあるナノワイヤーの長さに沿って、温度依存周波数シフトから有効熱膨張率を算出した。
• データ解析では、Si (001) サブストレート上に成長した均一型、湾曲型、長大な傾斜型InAsナノワイヤーにおける相分率およびひずみ分布を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 InAs マイクロナノワイヤーにおける212–218 cm⁻¹ の非対称ラマンピークの原因は何か？
• RQ2 局所的な成長条件およびワイヤーの直径が、InAs ナノワイヤーにおけるウルツァイト型とジンク・ブラインド型相の相対的割合にどのように影響するか？
• RQ3 ウルツァイト型およびジンク・ブラインド型相における残留ひずみが、フォノン周波数およびその温度依存性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 傾斜のあるナノワイヤーの長さに沿って、ウルツァイト型InAsの有効熱膨張率はどのように変化するか？
• RQ5 既存の成長マッピングモデルが予測しないにもかかわらず、大径InAsナノワイヤーでウルツァイト型相が観察される理由は何か？

主な発見

• 212–218 cm⁻¹ のラマンピークは、InAs ナノワイヤーにおけるウルツァイト型のE2hおよびジンク・ブラインド型のTOフォノンモードの重ね合わせに起因する。
• 偏光および波長依存性SRRSにより、ウルツァイト型およびジンク・ブラインド型相の共存が確認され、相分率は局所的な成長条件および直径に依存することが示された。
• ジンク・ブラインド型相における残留ひずみはTOフォノン周波数の赤方シフトを引き起こし、ウルツァイト型相におけるひずみはE2hモードの青方シフトを誘発する。
• 温度依存ラマンデータから、ジンク・ブラインド型ではdw/dTが正、ウルツァイト型では負であることが判明し、応力および熱膨張の寄与が異なることが示された。
• 傾斜のあるナノワイヤーの長さに沿って、ジンク・ブラインド型相が存在する状態でのウルツァイト型InAsの有効熱膨張率は10～19 × 10⁻⁶/K の範囲で変動し、空間的分解能を持つ分析によってのみ測定可能であることが明らかになった。
• 本研究では、大径InAsナノワイヤーにおけるウルツァイト型相形成が、現在の成長マッピングモデルと整合しないことが判明し、未考慮の局所的成長効果が関与している可能性が示唆された。