[论文解读] Impact of the Ga flux incidence angle on the growth kinetics of self-assisted GaAs nanowires on Si(111)

Marco Vettori, Alexandre Danescu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2019

Nanowire Synthesis and Applications参考文献 42被引用 6

一句话总结

本研究表明，在分子束外延（MBE）中，Ga束流入射角显著影响在Si(111)衬底上自助生长的GaAs纳米线的生长动力学。通过使用两个不同入射角（27.9°和9.3°）的Ga束源，作者证明入射角通过表面和侧 facet扩散控制了Ga原子种的供应，从而导致纳米线长度、直径和液滴形貌的显著差异——突显了此前被忽视的精确控制纳米线几何形状的关键参数。

ABSTRACT

In this work we show that the incidence angle of group-III elements fluxes plays a significant role on the diffusion-controlled growth of III-V nanowires (NWs) by molecular beam epitaxy (MBE). We present a thorough experimental study on the self-assisted growth of GaAs NWs by using a MBE reactor equipped with two Ga cells located at different incidence angles with respect to the surface normal of the substrate, so as to ascertain the impact of such a parameter on the NW growth kinetics. The as-obtained results show a dramatic influence of the Ga flux incidence angle on the NW length and diameter, as well as on the shape and size of the Ga droplets acting as catalysts. In order to interpret the results we developed a semi-empirical analytic model inspired by those already developed for MBE-grown Au-catalyzed GaAs NWs. Numerical simulations performed with the model allow to reproduce thoroughly the experimental results (in terms of NW length and diameter and of droplet size and wetting angle), putting in evidence that under formally the same experimental conditions the incidence angle of the Ga flux is a key parameter which can drastically affect the growth kinetics of the NWs grown by MBE.

研究动机与目标

• 通过分子束外延研究Ga束流入射角对Si(111)衬底上自助生长GaAs纳米线生长动力学的影响。
• 确定在其他生长条件完全相同的情况下，Ga束流入射角的变化是否会影响纳米线轴向和径向的生长速率。
• 识别导致纳米线形貌和液滴特性差异的物理机制，特别是Ga原子种的供应路径。
• 建立并验证一个半经验模型，通过考虑束流入射角对液滴Ga供应的影响，解释实验结果。

提出的方法

• 在双Ga束源MBE外延系统中，使用27.9°（Ga(5)）和9.3°（Ga(7)）入射角的束源，在相同名义通量速率（0.5 ML/s）下外延生长GaAs纳米线。
• 通过改变生长时间（5–80分钟）进行系统性生长实验，分析轴向和径向生长动力学。
• 采用扫描电子显微镜（SEM）和液滴形貌分析表征纳米线长度、直径和润湿角。
• 基于Ga原子种从衬底表面和纳米线侧 facet 向液滴的扩散，建立一个包含束流入射角效应的半经验分析模型。
• 通过数值模拟重现实验中观察到的纳米线长度、直径、液滴尺寸和润湿角的变化趋势。
• 通过将模拟结果与实验数据对比，验证模型，特别关注当纳米线长度超过侧 facet 上Ga原子种扩散长度时的转变行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 Ga束流入射角如何影响在Si(111)衬底上自助生长的GaAs纳米线的轴向和径向生长速率？
• RQ2 导致在不同束流入射角下纳米线形貌和液滴形状差异的物理机制——特别是Ga原子种供应路径——是什么？
• RQ3 为何在名义通量速率相同的情况下，Ga(7)束源（9.3°）产生的纳米线比Ga(5)束源（27.9°）更短？
• RQ4 Ga原子种在衬底和纳米线侧 facet 上的扩散长度在多大程度上决定了液滴的供给，从而控制生长动力学？
• RQ5 一个考虑了束流入射角效应的半经验模型，能否准确再现自助生长GaAs纳米线的实验生长行为？

主要发现

• Ga束流入射角显著影响纳米线长度和直径，80分钟生长后，Ga(7)As纳米线明显短于Ga(5)As纳米线。
• 在短时间生长（≤30分钟）时，两种束源的纳米线长度相近，但随时间延长出现差异，表明该效应具有时间和几何依赖性。
• 随着生长时间增加，Ga液滴的润湿角增大，且Ga(7)束源的润湿角更大，表明液滴形状和体积因Ga供应动力学改变而发生变化。
• 导致观察到差异的主要机制是入射角依赖的Ga原子种通过表面和侧 facet 扩散的供给，尤其在纳米线长度超过侧 facet 上Ga原子种扩散长度时更为显著。
• 模型表明，当纳米线长度超过侧 facet 上的扩散长度后，facet 扩散成为Ga的主要供给路径，其效率取决于束流入射角。
• 本研究证明，Ga束流入射角是自助MBE生长中控制纳米线几何形状和生长动力学的关键参数，此前被忽视。