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Semiconductor Nanowires - Materiales Nuevos del III-Nitruro para las Aplicaciones Optoelectrónicas y de la Energía

por el Dr. George Wang

El Dr. George T. Wang, Pieza Principal del Estado Mayor Técnico, Centro de Investigación De estado sólido de la Frontera de la Energía de la Ciencia del Alumbrado, Sandia National Laboratories
Autor Correspondiente: gtwang@sandia.gov

La Investigación sobre nanowires del semiconductor ha crecido exponencial durante la última década, con mucha atención centrándose en su síntesis, propiedades fundamentales, y aplicaciones potenciales. Nanowires es alta relación de aspecto, cable-como las estructuras con los diámetros que colocan típicamente de algunos nanómetros a unas centenas nanómetros. Nanowires comprendió de virtualmente cada sistema del semiconductor, incluyendo Si/Ge, las Ii-Fuerzas, e III-Comparado con, se ha sintetizado hasta la fecha y exhibe una variedad de morfologías interesantes incluyendo hexagonal, rectangular, triangular, cilíndrico, e incluso se ramificó.

El Interés en nanowires del semiconductor es debido en parte grande a sus propiedades térmicas, mecánicas, ópticas, químicas, y eléctricas únicas, a un resultado de su alta relación de transformación del superficie-a-volumen y a su talla, que entrecruza varias escalas físicas de la longitud característica, tales como la longitud de difusión del excitón y el radio de Bohr, las longitudes de onda Ultravioleta-visibles, camino libre medio del fonón, y talla crítica de dominios magnéticos. Estas propiedades nuevas han llevado a varias demostraciones intrigantes de los nanowires del semiconductor como elementos individuales o integrados del nanoscale en una variedad de aplicaciones que colocaban de thermoelectrics, nanophotonics, el detectar, piezoelectrics, cosecha y almacenamiento de la energía, y nanoelectronics.1

Los III-nitruros (AlGaInN) son tecnológico los semiconductores directos importantes de la banda-separación que absorben y emiten sobre un rango muy amplio y atractivo de la energía del ULTRAVIOLETA a visible a las longitudes de onda infrarrojas, y son la base para los productos comerciales como los diodos electroluminosos visibles (LEDs) y diodos láser azules (e.g. BluRay). Como tal, los nanowires basados en los semiconductores del III-nitruro se están explorando para el uso potencial en el LED, laseres, photovoltaics, partir del agua, electrónica de alta velocidad/de potencia, y otras aplicaciones.

Sin Embargo, antes de que tales las aplicaciones nanowire-basadas puedan ser observados prácticamente, varios retos existen en las áreas de la síntesis controlada y pedida del nanowire, fabricación de las heteroestructuras avanzadas del nanowire, y de entender y de controlar las propiedades térmicas, eléctricas, mecánicas, y ópticas del nanowire. En Sandia National Laboratories, bajo el Centro de Investigación De estado sólido de la Frontera de la Energía de la Ciencia del Alumbrado y otros programas, el Dr. George T. Wang y los colegas están investigando la síntesis y las propiedades de nanowires basados III-nitruro con el objetivo de dirigir estos muchos retos.

Los nanowires del Semiconductor se pueden fabricar por una variedad de técnicas, incluyendo las aproximaciones ascendentes que implican a menudo una partícula del catalizador del metal del nanoscale para dirigir el incremento 1D vía el mecanismo (VLS) vapor-líquido-sólido, a las aproximaciones litográficas de arriba hacia abajo. Mientras Que ambas aproximaciones sintetizadas se están explorando en Sandia, el enfoque primario ha estado en el incremento VLS-basado de GaN y de los nanowires del memoria-shell del III-nitruro usando la deposición de vapor químico metalorgánica (MOCVD). El Cuadro 1 muestra el incremento modelo-libre, alineado de los nanowires de GaN en un substrato del zafiro vía este método.

La altos densidad del nanowire y grado de alineación vertical, que es deseable para la integración vertical del dispositivo, es lograda por la selección apropiada de la orientación cristalina del substrato y el mando cuidadoso del catalizador del metal así como de las condiciones del incremento.2-4 Los nanowires son únicos cristales, con los cortes transversales triangulares (Figura 1b), y están libres de los defectos dispositivo-perjudiciales conocidos como dislocaciones que sean comunes en películas del III-nitruro. Esta alta calidad cristalina de los nanowires, junto con la capacidad de hacer las heteroestructuras dopado y de la aleación sobre un rango amplio, armonioso del bandgap, les hace a los candidatos atractivos a dispositivos económicos de energía.

Cuadro 1. (a) imagen del microscopio electrónico (SEM) de Exploración del incremento alineado del nanowire de GaN en el zafiro; (b) imagen del microscopio electrónico (TEM) de la transmisión de un nanowire de GaN con la capa del shell de AlGaN que muestra su corte transversal triangular.

Una variedad de técnicas del nanocharacterization también están siendo empleadas por el Dr. Wang y sus colegas para entender y mejorar final las propiedades del nanowire. Por ejemplo, los experimentos espacial-resueltos de la catodoluminiscencia se están utilizando para correlacionar las frecuencias y las intensidades de la emisión pálida de estos nanowires con la resolución del nanoscale,5 tal y como se muestra en del Cuadro 2.

Esto y otras técnicas ópticas que se han adaptado a estudiar estos nanostructures, incluyendo microscopia de exploración del campo cercano6 y espectroscopias7 ópticas ultrarrápidas y del profundo-nivel8, han revelado a los detalles tales como el origen y la concentración de impurezas y de otros defectos de punta en los nanowires, con el objetivo de reducir los y su impacto en los dispositivos nanowire-basados. 3D Potentes9 y las técnicas "in-situ" de la microscopia electrónica10 han activado, por ejemplo, observando la ruptura física de un dispositivo del nanowire bajo alta corriente eléctrica en tiempo real en las resoluciones de la atómico-escala.11

Cuadro 2. (a) imagen (CL) de la Catodoluminiscencia que muestra la emisión pálida azul de nanowires del memoria-shell de GaN/InGaN; (b) Imagen del CL que muestra luminiscencia amarilla defecto-relacionada de la región superficial de un nanowire de GaN.

Además de los únicos dispositivos del nanowire, los conjuntos de nanowires se pueden también leveraged de maneras interesantes y ventajosas. En Sandia, el Dr. Wang y los colegas han desarrollado una técnica que utiliza matrices verticalmente alineadas del nanowire de GaN como modelo de alta calidad para el incremento de las películas de alta calidad de GaN en los substratos baratos, cedazo-desequilibrados, tal y como se muestra en del Cuadro 3.12 Los nanowires sirven como “puentes obedientes” de la deformación entre la película unida y ser la base, el substrato cedazo-desequilibrado de GaN del zafiro, que las ayudas para disminuir la formación del defecto en la película de GaN y por lo tanto para mejorar funcionamiento del dispositivo.

Representación del Cuadro 3. (a) Artista del incremento nanowire-templated de una película de GaN; (b) imagen seccionada transversalmente de SEM que muestra la demostración del incremento nanowire-templated de GaN.

En resumen, los nanowires del semiconductor del III-nitruro están intrigando las nuevas estructuras que muestran gran promesa como eficiente, los bloques huecos del nanoscale para las aplicaciones que colocan del alumbrado de estado sólido y las visualizaciones al photovoltaics. Muchos esfuerzos en todo el mundo están actualmente en curso entender mejor su síntesis y propiedades para explotar su capacidad máxima.

Acuses De Recibo

Financiamiento del programa Básico de la Tecnología de las Ciencias (BES) DMSE de la Energía de la GAMA, de Energía de la GAMA EERE de LDRD Nacional del Laboratorio, de Sandia, y del Centro de Investigación De estado sólido de la Frontera de la Energía de la Ciencia del Alumbrado de Sandia (GAMA BES). Sandia National Laboratories es un laboratorio de la multiprogramación operatorio por Sandia Corporation, una filial enteramente poseída de la compañía de Lockheed Martin, para el Ministerio de los E.E.U.U. de Administración Nuclear Nacional de la Fianza de la Energía bajo contrato DE-AC04-94AL85000.


Referencias

1. A.I. Hochbaum, P.D. Yang, “Semiconductor Nanowires para la Conversión de Energía”, Revistas Químicas, 110, 527 2010.
2. Q. Li, G.T. Wang, “El Papel de Colisiones en el Incremento Alineado de Nanowires Vertical”, J. Cryst. Incremento (Países Bajos), 310, 3706 2008.
3. Q. Li, G.T. Wang, “Mejoría en el Incremento Alineado de GaN Nanowire usando las Películas del Catalizador del Ni de Submonolayer”, Appl. Phys. Lett., 93, 043119 2008.
4. G.T. Wang, A.A. Talin, D.J. Werder, J.R. Creighton, E. Lai, R.J. Anderson, caracterización de I. Arslan, “haber alineado Altamente, modelo-libres incremento y de los nanowires verticales de GaN en el zafiro por la deposición de vapor químico metalorgánica”, Nanotecnología, 17, 5773 2006.
5. Q.M. Li, G.T. Wang, “Distribución Espacial de la Luminiscencia del Defecto en GaN Nanowires”, Lett Nano., 10, 1554 2010.
6. L. Baird, G.H. Ang, C.H. Low, N.M. Haegel, A.A. Talin, Q.M. Li, G.T. Wang, “difusión de portador de minoría de la Proyección De Imagen en los nanowires de GaN usando microscopia óptica del campo cercano”, Physica B, 404, 4933 2009.
7. P.C. Upadhya, Q.M. Li, G.T. Wang, A.J. Fischer, A.J. Taylor, R.P. Prasankumar, “La influencia de los estados del defecto en dinámicas del portador del desequilibrio en los nanowires de GaN”, la Ciencia y la Tecnología, 25, 2010 del Semiconductor.
8. A. Armstrong, Q. Li, Y. Lin, A.A. Talin, G.T. Wang, “estado superficial del nanowire de GaN observado usando la espectroscopia óptica nivelada profunda”, Appl. Phys. Lett., 96, 2010.
9. I. Arslan, A.A. Talin, G.T. Wang, “Visualización Tridimensional de los Defectos Superficiales en el Memoria-Shell Nanowires”, Gorrón de la Química Física C, 112, 11093 2008.
10. Y. Lin, Q. Li, A. Armstrong, G.T. Wang, “caracterización eléctrica In situ del microscopio electrónico de exploración de los nanodiodes del nanowire de GaN usando el tungsteno y los nanoprobes del tungsteno/del galio”, Commun De Estado Sólido. (Los E.E.U.U.), 149, 1608 2009.
11. T. Westover, R. Jones, J.Y. Huang, G. Wang, E. Lai, A.A. Talin, “Photoluminescence, Transporte Térmico, y Ruptura en GaN Julio-Heated Nanowires”, Lett Nano., 9, 257 2009.
12. Q. Li, Y. Lin, J.R. Creighton, J.J. Figiel, G.T. Wang, “incremento epitaxial lateral de Nanowire-templated del uno-avión no polar GaN de la densidad de la inferior-dislocación en el zafiro del r-avión”, Adv. Mater., 21, 2416 2009.

Derechos De Autor AZoNano.com, el Dr. George T. Wang (Sandia National Laboratories)

Date Added: Aug 11, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 04:44

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