Durchbruch in der Kristallphasenkontrolle von Nanodrähten
Jülich, 19. Oktober 2020
Forscher des Peter Grünberg Instituts haben einen Weg gefunden, die Kristallphase von GaAs-Nanodrähten (ND) auf Siliziumoberflächen zu kontrollieren.
Diese Entdeckung stellt einen großen Fortschritt auf dem Gebiet der ND-Wachstums dar und bildet die entscheidende Grundlage für die Anwendung von ND in fortschrittlichen Lasern und Einzelphotonenquellen. Die Ergebnisse wurden in ACS Applied Nano Materials veröffentlicht.
In den letzten Jahren erlangten selbst-organisiert gewachsene Nanodrähte großes Aufsehen für ihre Anwendung in fortgeschrittenen nano-optoelektronische Bauelementen. Mit ihrem hohen axial-radialen Geometrieverhältnis (Durchmesser von etwa 100 Nanometern und Länge von mehreren Mikrometern) haben diese Nanostrukturen flexible und bemerkenswerte Emissions- und Absorptionseigenschaften, die sich besonders für die integrierte Photonik mit niedrigschwelligen Lasern und Einzelphotonenemittern für Quantencomputer direkt auf Siliziumchips eignen
Seit der ersten veröffentlichten Arbeit über die Molekularstrahlepitaxie (MBE) von selbstkatalysierten GaAs ND von Fontcuberta I Moral im Jahr 2008 fokussierten Wissenschaftler auf der ganzen Welt Ihre Arbeiten darauf, die Kristallphase dieser ND zu kontrollieren. GaAs ND wachsen in Wurtzit (WZ) und Zinkblende (ZB) Kristallstruktur, beide Konfigurationen besitzen unterschiedliche mechanische, elektrische und optische Eigenschaften. Zuvor erforderte das Wachstum von phasenreinen WZ GaAs ND die Verwendung eines Fremdkatalysators wie Gold, wodurch jedoch der GaAs ND verunreinigt und die optischen und elektrischen Eigenschaften erheblich beeinträchtigt werden. Abgesehen von diesem Ansatz war das Wachstum von phasenreinen WZ GaAs ND durch selbstkatalysierte MBE bisher unmöglich.
Anfang 2020 entdeckten Panciera et al., dass die bevorzugte Kristallstruktur von GaAs ND (entweder WZ oder ZB) mit der Stabilisierung eines spezifischen Kontaktwinkel-Regimes während des MBE Wachstums zusammenhängt. Diese Erkenntnis ebnete den Weg für die Phasenkontrolle von selbstkatalysierten GaAs ND. Aufbauend auf diesen Vorarbeiten entwickelten Forscher des Peter Grünberg Instituts am Forschungszentrum Jülich ein umfassendes kinetisches Wachstumsmodell, welches mit der Hilfe von mehr als 600 einzeln untersuchten ND kalibriert wurde, um die zeitliche Entwicklung der Nanodrahtlänge und des Kontaktwinkels zu quantifizieren. Das Wachstumsmodell wurde angewandt, um den Ga-Fluss während des Wachstums dynamisch zu modifizieren und dadurch den Kontaktwinkel in einem Bereich zu kontrollieren und zu stabilisieren, der das Wachstum von phasenreinen WZ GaAs ND begünstigt. Mit Hilfe einer umfangreichen Analyse der Proben mittels Transmissionselektronenmikroskopie konnte das Wachstum von selbstkatalysierten GaAs ND mit 99-100% phasenreiner WZ-Kristallstruktur auf vorstrukturierten Substraten weltweit zum ersten Mal nachgewiesen werden.
Das entwickelte Modell und die damit verbundene Wachstumsstrategie der phasenreinen ND sind nicht nur auf selbstkatalysierte GaAs ND beschränkt, sondern lässt sich auf die Synthese von phasenreinen ND aus verschiedenen III/V-Materialsystemen übertragen. Die Ergebnisse stellen einen großen Fortschritt auf dem Gebiet des ND-Wachstums dar und bildet die entscheidende Grundlage für die Anwendung von ND in fortschrittlichen Lasern und Einzelphotonenquellen für die Quantenkommunikation.
Originalpublikation: “Phase-Pure Wurtzite GaAs Nanowires Grown by Self-Catalyzed Selective Area Molecular Beam Epitaxy for Advanced Laser Devices and Quantum Disks” by Marvin M. Jansen, Pujitha Perla, Mane Kaladzhian, Nils von den Driesch, Johanna Janssen, Martina Luysberg, Mihail I. Lepsa, Detlev Grützmacher and Alexander Pawlis