[논문 리뷰] Spatially resolved Raman spectroscopy study of uniform and tapered InAs micro-nano wires: Correlation of strain and polytypism

Vandna K. Gupta, Alka Ingale외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 24.

Nanowire Synthesis and Applications참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 InAs 마이크로-나노와이어에서 응력과 다형성의 공간 해상도를 가진 라만 스펙트로스코피를 사용하여 조사하며, 212–218 cm⁻¹ 피크는 투명한 아연 블랜드 상의 TO 및 투명한 아연 블랜드 상의 E2h 진동 모드의 중첩으로 인해 발생함을 밝혀냈다. 투명한 아연 블랜드 상과 투명한 아연 블랜드 상의 비율은 국소적 성장 조건과 지름에 따라 달라지며, 기울어진 와이어 전반에 걸쳐 응력 유도 주파수 이동과 열팽창 차이가 정량화되었으며, 이는 와이어 길이 전반에서 10에서 19 × 10⁻⁶/K 범위의 효과적 열팽창 계수 측정이 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• InAs 마이크로-나노와이어에서 212–218 cm⁻¹에 위치한 비대칭 라만 피크의 기원을 이해하기 위해.
• InAs 나노와이어에서 다형성 형성(아연 블랜드 대 투명한 아연 블랜드)에 있어 응력과 국소적 성장 조건의 역할을 규명하기 위해.
• 지름 변화와 와이어 형태(균일 대 기울어진)가 다형성 분포와 잔류 응력과 어떻게 관련되어 있는지 조사하기 위해.
• 기울어진 나노와이어 길이 전반에서 아연 블랜드 상이 존재하는 상황에서 투명한 아연 블랜드 상 InAs의 효과적 열팽창 계수를 정량화하기 위해.
• 관측된 큰 지름의 와이어에서 투명한 아연 블랜드 상 형성이 존재하는 모델 예측과의 괴리점을 해결하기 위해.

제안 방법

• 다양한 지름과 형태를 가진 개별 InAs 마이크로-나노와이어 길이를 따라 라만 모드를 맵핑하기 위해 공간 해상도가 있는 라만 스펙트로스코피(SRRS)를 사용하였다.
• 투명한 아연 블랜드 상(E2h)과 아연 블랜드 상(TO) 진동 기여도를 구별하기 위해 투과도 및 파장 의존성 SRRS를 사용하였다.
• 80 K에서 실온까지의 온도 의존성 라만 측정을 수행하여 진동 모드 주파수의 온도 도함수(dw/dT)와 그 응력 의존성을 분석하였다.
• 기본 값에서의 주파수 이동은 투명한 아연 블랜드 상 및 아연 블랜드 상 양쪽의 잔류 응력과 관련지어졌다.
• 기울어진 나노와이어 길이 전반에서 온도 의존성 주파수 이동을 기반으로 효과적 열팽창 계수를 계산하였다.
• 데이터 분석은 Si(001) 기판에 성장한 균일한, 굽어진, 긴 기울어진 InAs 나노와이어의 상 분율과 응력 분포를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 InAs 마이크로-나노와이어에서 212–218 cm⁻¹에 위치한 비대칭 라만 피크는 무엇에 기인하는가?
• RQ2 국소적 성장 조건과 와이어 지름은 InAs 나노와이어에서 투명한 아연 블랜드 상과 아연 블랜드 상의 상대 분율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 투명한 아연 블랜드 상과 아연 블랜드 상의 잔류 응력은 진동 모드 주파수와 그 온도 의존성에 어떤 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 기울어진 나노와이어 길이 전반에서 투명한 아연 블랜드 상 InAs의 효과적 열팽창 계수는 어떻게 변화하는가?
• RQ5 기존 성장 맵핑 모델이 예측하는 바와는 달리 큰 지름의 InAs 나노와이어에서 투명한 아연 블랜드 상 형성이 관측되는 이유는 무엇인가?

주요 결과

• 212–218 cm⁻¹ 라만 피크는 InAs 나노와이어에서 투명한 아연 블랜드 상의 E2h 및 아연 블랜드 상의 TO 진동 모드의 중첩으로 기인한다.
• 투과도 및 파장 의존성 SRRS를 통해 투명한 아연 블랜드 상과 아연 블랜드 상의 공존이 확인되었으며, 상 분율은 국소적 성장 조건과 지름에 영향을 받는다.
• 아연 블랜드 상의 잔류 응력은 TO 진동 모드 주파수의 적색 이동을 유도하며, 투명한 아연 블랜드 상의 응력은 E2h 모드의 청색 이동을 유도한다.
• 온도 의존성 라만 데이터는 아연 블랜드 상의 경우 dw/dT가 양성, 투명한 아연 블랜드 상의 경우 음성임을 보여주며, 응력과 열팽창의 기여도가 다름을 시사한다.
• 기울어진 나노와이어 길이 전반에서 아연 블랜드 상 존재 시 투명한 아연 블랜드 상 InAs의 효과적 열팽창 계수는 10에서 19 × 10⁻⁶/K 범위로 변화하며, 공간 해상도 분석을 통해만 측정 가능하다.
• 이 연구는 큰 지름의 InAs 나노와이어에서 투명한 아연 블랜드 상 형성이 현재의 성장 맵핑 모델과 일치하지 않음을 드러내며, 고려되지 않은 국소적 성장 영향이 있을 가능성을 시사한다.