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Semiconduttore Nanowires - Materiali Novelli del III-Nitruro per le Applicazioni di Energia ed Optoelettroniche

da Dott. George Wang

Dott. George T. Wang, Membro Principale del Personale Tecnico, Centro di Ricerca Semi conduttore di Frontiera di Energia di Scienza di Illuminazione, Sandia National Laboratories
Autore Corrispondente: gtwang@sandia.gov

La Ricerca sui nanowires a semiconduttore si è sviluppata esponenzialmente negli ultimi dieci anni, con molta messa a fuoco dell'attenzione sulla loro sintesi, beni fondamentali ed applicazioni potenziali. Nanowires è alto allungamento, strutture collegare collegare con i diametri che variano tipicamente da alcuni nanometri ad alcuni cento nanometri. Nanowires ha compreso virtualmente ogni sistema a semiconduttore, compreso Si/Ge, Ii-Forza e III-Contro, è stato sintetizzato fin qui ed esibisce varie morfologie interessanti compreso esagonale, rettangolare, triangolare, cilindrico e perfino si è ramificato.

L'Interesse nei nanowires a semiconduttore è dovuto nella grande parte al loro termale unico, beni meccanici, ottici, chimici ed elettrici, un risultato del loro alto rapporto del superficie--volume e la loro dimensione, che interseca una serie di disgaggi fisici di lunghezza caratteristica, quali la lunghezza ed il Raggio di Bohr di diffusione dell'eccitone, lunghezze d'onda UV-visibili, cammino libero medio di fonone e dimensione critica dei domini magnetici. Questi beni novelli piombo ad una serie di dimostrazioni intriganti dei nanowires a semiconduttore come persona o elementi integrati del nanoscale in varie applicazioni che variano dal thermoelectrics, nanophotonics, percepire, piezoelectrics, raccolta e archiviazione di energia e nanoelectronics.1

I III-nitruri (AlGaInN) sono tecnologicamente semiconduttori diretti importanti di intervallo di banda che assorbono ed emettono sopra un intervallo molto vasto ed attraente di energia dal UV a visibile alle lunghezze d'onda infrarosse e sono la base per i prodotti commerciali come i diodi a emissione luminosa visibili (LEDs) e diodi laser blu (per esempio BluRay). Come tale, i nanowires basati sui semiconduttori del III-nitruro stanno esplorandi per uso potenziale in LED, in laser, in photovoltaics, in dissociazione dell'acqua, nell'alta velocità/elettronica di potenza ed in altre applicazioni.

Tuttavia, prima che tali a applicazioni basate nanowire possano praticamente essere realizzate, parecchie sfide esistono nelle aree della sintesi controllata ed ordinata del nanowire, montaggio delle eterostrutture avanzate del nanowire e di comprensione e di gestire dei beni termici, elettrici, meccanici ed ottici del nanowire. A Sandia National Laboratories, nel quadro del Centro di Ricerca Semi conduttore di Frontiera di Energia di Scienza di Illuminazione e di altri programmi, il Dott. George T. Wang ed i colleghi stanno studiando la sintesi ed i beni dei nanowires basati III-nitruro con lo scopo di indirizzo delle queste molte sfide.

I nanowires A Semiconduttore possono essere da costruzione mediante varie tecniche, compreso gli approcci dal basso che comprendono spesso una particella del catalizzatore del metallo del nanoscale per dirigere la crescita 1D via il meccanismo (VLS) vapore-liquido-solido, verso gli approcci litografici dall'alto in basso. Mentre entrambi approcci sintetici stanno esplorandi a Sandia, il fuoco primario è stato alla sulla crescita basata VLS di GaN e dei nanowires dello memoria-shell del III-nitruro facendo uso di applicazione a spruzzo chimica metallorganica (MOCVD). Figura 1 mostra la crescita modella modello e stata allineata dei nanowires di GaN su un substrato dello zaffiro via questo metodo.

L'alti densità del nanowire e grado di allineamento verticale, che è desiderabile per integrazione verticale dell'unità, è raggiunta tramite la selezione adeguata dell'orientamento di cristallo del substrato ed il controllo attento del catalizzatore del metallo come pure degli stati della crescita.2-4 I nanowires sono monocristalli, con le sezioni trasversali triangolari (Figura 1b) e sono esenti dai difetti unità-nocivi conosciuti come le dislocazioni che sono comuni in pellicole del III-nitruro. Questa alta qualità cristallina dei nanowires, con la capacità di fare eterostrutture della lega e verniciata sopra un vasto, intervallo musicale del bandgap, rende loro i candidati attraenti per le unità di ottimo rendimento.

Figura 1. immagine del microscopio elettronico a scansione (A (SEM)) di crescita stata allineata del nanowire di GaN su zaffiro; (b) immagine del microscopio elettronico (TEM) della trasmissione di un nanowire di GaN con il livello dello shell di AlGaN che mostra la sua sezione trasversale triangolare.

Varie tecniche di nanocharacterization egualmente stanno impiegande dal Dott. Wang ed i suoi colleghi per capire ed infine migliorare i beni del nanowire. Per esempio, gli esperimenti spaziale-risolti di luminescenza catodica stanno usandi per mappare le frequenze e le intensità di emissione di luce da questi nanowires con risoluzione del nanoscale,5 secondo le indicazioni di Figura 2.

Ciò ed altre tecniche ottiche che si sono adattate a studiare questi nanostructures, compreso microscopia di scansione del quasi-campo6 e delle le spettroscopie7 ottiche ultraveloci e livelle profondo8, hanno rivelato i dettagli quali l'origine e la concentrazione di impurità e di altri difetti di punto nei nanowires, con lo scopo di diminuzione loro e del loro impatto alle sulle unità basate nanowire. 3D Potenti9 e le tecniche in situ di microscopia elettronica10 hanno permesso a, per esempio, osservando il guasto fisico ad un'unità del nanowire nell'ambito di alta corrente elettrica in tempo reale alle risoluzioni del atomico-disgaggio.11

Figura 2. immagine di Luminescenza Catodica (a (CL)) che mostra emissione di luce blu dai nanowires dello memoria-shell di GaN/InGaN; (b) immagine del CL che mostra luminescenza gialla in relazione con il difetto dalla regione di superficie di nanowire di GaN.

Oltre alle singole unità del nanowire, gli insiemi di nanowires possono anche essere fatti leva nei modi interessanti e vantaggiosi. A Sandia, il Dott. Wang ed i colleghi hanno sviluppato una tecnica che usa le schiere verticalmente state allineate del nanowire di GaN come modello di alta qualità per la crescita delle pellicole di GaN di alta qualità sui substrati economici e grata-mal adattati, secondo le indicazioni di Figura 3.12 I nanowires serviscono da “ponti„ compiacenti di sforzo fra la pellicola fusa di GaN ed essere alla base, substrato grata-mal adattato dello zaffiro, che guide per minimizzare formazione di difetto nella pellicola di GaN e quindi per migliorare prestazione dell'unità.

Rappresentazione della Figura 3. Artista (a) della crescita nanowire-templated di una pellicola di GaN; (b) immagine di SEM di sezione trasversale che mostra dimostrazione di crescita nanowire-templated di GaN.

Riassumendo, i nanowires a semiconduttore del III-nitruro stanno intrigando le nuove strutture che mostrano la grande promessa come efficiente, le particelle elementari del nanoscale per le applicazioni che variano dall'illuminazione semi conduttrice e le visualizzazioni al photovoltaics. Molti sforzi intorno al mondo sono corrente in corso capire meglio la loro sintesi e beni per realizzare la loro piena capacità.

Ringraziamenti

Finanziamento di Sandia di Scienze DMSE di Energia (BES) della DAINA, di Tecnologia Energetica della DAINA EERE dal programma Di Base di LDRD Nazionale del Laboratorio, e dal Centro di Ricerca Semi conduttore di Frontiera di Energia di Scienza dell'Illuminazione di Sandia (DAINA BES). Sandia National Laboratories è un laboratorio di multi-programma di gestione da Sandia Corporation, una consociata interamente di proprietà della società di Lockheed Martin, per il Dipartimento Per L'Energia di Stati Uniti l'Amministrazione Nucleare Nazionale della Protezione Sotto contratto DE-AC04-94AL85000.


Riferimenti

1. A.I. Hochbaum, P.D. Yang, “Semiconduttore Nanowires per la Conversione di Energia„, Rassegne Chimiche, 110, 527 2010.
2. Q. Li, G.T. Wang, “Il Ruolo delle Collisioni nella Crescita Stata Allineata di Nanowires Verticale„, J. Cryst. Crescita (Paesi Bassi), 310, 3706 2008.
3. Q. Li, G.T. Wang, “Miglioramento nella Crescita Stata Allineata di GaN Nanowire facendo uso delle Pellicole del Catalizzatore del Ni di 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, caratterizzazione modello modello di I. Arslan, “Altamente allineato, crescita e dei nanowires verticali di GaN su zaffiro tramite di deposizione chimica in fase di vapore metallorganico„, Nanotecnologia, 17, 5773 2006.
5. Q.M. Li, G.T. Wang, “Distribuzione Spaziale di Luminescenza di Difetto in 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, “diffusione di portafili di minoranza di Rappresentazione nei nanowires di GaN facendo uso di microscopia ottica del campo vicino„, Physica B, 404, 4933 2009.
7. P.C. Upadhya, Q.M. Li, G.T. Wang, A.J. Fischer, A.J. Taylor, R.P. Prasankumar, “L'influenza degli stati di difetto sulla dinamica dei portafili di non equilibrio nei nanowires di GaN„, Scienza e Tecnologia A Semiconduttore, 25, 2010.
8. A. Armstrong, Q. Li, Y. Lin, A.A. Talin, G.T. Wang, “stato di superficie del nanowire di GaN osservato facendo uso della spettroscopia ottica livellata profonda„, Appl. Phys. Lett., 96, 2010.
9. I. Arslan, A.A. Talin, G.T. Wang, “Visualizzazione Tridimensionale dei Difetti Superficiali In Memoria-Shell Nanowires„, Giornale di Chimica Fisica C, 112, 11093 2008.
10. Y. Lin, Q. Li, A. Armstrong, G.T. Wang, “caratterizzazione elettrica In situ del microscopio elettronico a scansione dei nanodiodes del nanowire di GaN facendo uso di tungsteno e dei nanoprobes gallio/del tungsteno„, Stato Solido Commun. (U.S.A.), 149, 1608 2009.
11. T. Westover, R. Jones, J.Y. Huang, G. Wang, E. Lai, A.A. Talin, “Fotoluminescenza, Trasporto Termico e Ripartizione in GaN Nanowires Joule-Heated„, Lett Nano., 9, 257 2009.
12. Q. Li, Y. Lin, J.R. Creighton, J.J. Figiel, G.T. Wang, “crescita epitassiale laterale di Nanowire-templated dell'un-aereo non polare GaN di densità di basso dislocazione sullo zaffiro dell'r-aereo„, Adv. Mater., 21, 2416 2009.

Copyright AZoNano.com, Dott. George T. Wang (Sandia National Laboratories)

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

Last Update: 14. June 2013 04:16

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