[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究采用空间分辨拉曼光谱技术，研究InAs微纳米线中的应变与多型性，发现212–218 cm⁻¹峰源于纤锌矿（wurtzite）E2h与闪锌矿（zinc blende）TO声子模式的叠加。纤锌矿与闪锌矿相的相对分数取决于局部生长条件和线径，应变引起的频率位移及热膨胀差异在锥形线中被量化，从而实现了沿线长方向有效热膨胀系数的测量，范围为10至19 × 10⁻⁶/K。

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.

研究动机与目标

• 理解InAs微纳米线中212–218 cm⁻¹处不对称拉曼峰的起源。
• 确定应变与局部生长条件在InAs纳米线相形成（闪锌矿与纤锌矿）中的作用。
• 将线径变化与线形形貌（均匀与锥形）与相分布及残余应力相关联。
• 量化锥形纳米线长度方向上，纤锌矿InAs在存在闪锌矿相时的有效热膨胀系数。
• 解决观测到的大线径线中纤锌矿形成与现有生长图谱模型之间的矛盾。

提出的方法

• 采用空间分辨拉曼光谱（SRRS）对具有不同线径和形貌的单根InAs微纳米线进行拉曼模式沿线长的映射。
• 利用偏振与波长依赖的SRRS区分纤锌矿（E2h）与闪锌矿（TO）声子的贡献。
• 在80 K至室温范围内进行温度依赖的拉曼测量，分析声子频率的温度导数（dw/dT）及其应变依赖性。
• 将频率位移与纤锌矿和闪锌矿相中的残余应力相关联。
• 从锥形纳米线长度方向上的温度依赖频率位移计算有效热膨胀系数。
• 数据对比分析了在Si (001)基底上生长的均匀、弯曲及长锥形InAs纳米线中的相分数与应变分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 是什么原因导致InAs微纳米线中212–218 cm⁻¹处出现不对称拉曼峰？
• RQ2 局部生长条件与线径在多大程度上影响InAs纳米线中纤锌矿与闪锌矿相的相对分数？
• RQ3 纤锌矿与闪锌矿相中的残余应变在多大程度上影响声子频率及其温度依赖性？
• RQ4 锥形纳米线长度方向上，纤锌矿InAs的有效热膨胀系数如何变化？
• RQ5 为何在大线径InAs纳米线中观测到纤锌矿形成，而现有生长图谱模型却预测不会形成？

主要发现

• 212–218 cm⁻¹拉曼峰归因于InAs纳米线中纤锌矿E2h与闪锌矿TO声子模式的叠加。
• 偏振与波长依赖的SRRS证实了纤锌矿与闪锌矿相共存，且相分数受局部生长条件与线径影响。
• 闪锌矿相中的残余应变导致TO声子频率红移，而纤锌矿相中的应变则引起E2h模式蓝移。
• 温度依赖拉曼数据显示，闪锌矿的dw/dT为正，纤锌矿的dw/dT为负，表明应力与热膨胀的贡献不同。
• 在存在闪锌矿相的情况下，锥形纳米线长度方向上纤锌矿InAs的有效热膨胀系数从10至19 × 10⁻⁶/K不等，仅通过空间分辨分析可实现测量。
• 本研究发现，大线径InAs纳米线中纤锌矿相的形成与现有生长图谱模型不一致，提示存在未被考虑的局部生长效应。