[论文解读] Group-III assisted catalyst-free growth of InGaAs nanowires and the formation of quantum dots

Martin Heiß, Bernt Ketterer+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2010

Nanowire Synthesis and Applications被引用 38

一句话总结

本研究展示了在550 °C的低温下，通过无催化剂、III族元素辅助的分子束外延技术生长InGaAs纳米线，核心中铟的掺杂量限制在3–5%。低温下的径向生长导致表面形成富铟纳米穹顶，铟含量高达20%，形成类似量子点的结构，表现出超尖锐的光致发光，表明其在高质量红外光电器件方面具有潜力。

ABSTRACT

Growth of GaAs and InGaAs nanowires by the group-III assisted Molecular Beam Epitaxy growth method is studied in dependence of growth temperature, with the objective of maximizing the indium incorporation. Nanowire growth was achieved for growth temperatures as low as 550°C. The incorporation of indium was studied by low temperature micro-photoluminescence spectroscopy, Raman spectroscopy and electron energy loss spectroscopy. The results show that the incorporation of indium lowering the growth temperature does not have an effect in increasing the indium concentration in the bulk of the nanowire, which is limited to 3-5%. For growth temperatures below 575°C, indium rich regions form at the surface of the nanowires as a consequence of the radial growth. This results in the formation of quantum dots, which exhibit extremely sharp luminescence.

研究动机与目标

• 通过无催化剂的III族元素辅助分子束外延技术，在InGaAs纳米线中实现高铟掺杂。
• 研究生长温度对铟掺杂量和纳米线形貌的影响。
• 理解低温生长的InGaAs纳米线中尖锐光致发光特征的起源。
• 确定是否由于径向生长和表面铟偏析导致形成类似量子点的结构。
• 探索在不使用金催化剂的情况下生长高铟含量InGaAs纳米线的可行性。

提出的方法

• 在550 °C至590 °C的温度范围内，使用III族元素辅助的分子束外延技术，在SiO₂包覆的(001)GaAs衬底上生长GaAs和InGaAs纳米线。
• 通过固定III-V族元素的通量速率，进行系统性的温度系列实验，并以纯GaAs纳米线作为参考。
• 利用低温微区光致发光、拉曼光谱和电子能量损失谱（EELS）分析光学和成分特性。
• 通过高分辨透射电子显微镜（HR-STEM）和沿纳米线直径方向的EELS线扫描，绘制铟浓度分布剖面。
• 在纳米线尖端附近获取EELS图谱，评估轴向上铟的分布情况以及催化剂液滴中的铟分布。
• 通过关联纳米线锥形（指示径向生长）与铟偏析模式，分析生长机理。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在低温下通过无催化剂的III族元素辅助分子束外延技术，在InGaAs纳米线中实现高铟掺杂？
• RQ2 低温生长条件下，径向生长是否导致表面富铟区域和类似量子点的结构形成？
• RQ3 生长温度、核心中铟浓度与超尖锐光致发光特征形成之间的关系是什么？
• RQ4 在低温下，铟在纳米线直径方向和轴向上如何分布？
• RQ5 高铟浓度纳米穹顶的形成原因是什么，其在观测到的光学特性中起什么作用？

主要发现

• 成功在550 °C的低温下，通过III族元素辅助的无催化剂分子束外延技术生长出InGaAs纳米线。
• 无论生长温度如何降低，纳米线核心中的铟浓度始终限制在3–5%。
• 在低于575 °C的温度下，径向生长导致表面形成富铟纳米穹顶，铟含量高达20%。
• 这些纳米穹顶高度约5 nm，长度约50 nm，其结构和形貌与Stranski-Krastanov型量子点相似。
• 观察到超尖锐的光致发光特征，其激发功率依赖性符合量子点特征，表明存在局域化态。
• 在纳米线尖端附近，催化剂液滴中的铟浓度最高可达80%，其下方的固态InGaAs中铟浓度最高达40%，表明在生长末期轴向掺杂增强。