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Semicondutor Nanowires do Iii-Nitreto - Materiais Novos para Aplicações Optoelectronic e da Energia

pelo Dr. George Wang

Dr. George T. Wang, Membro Principal do Pessoal Técnico, Centro de Pesquisa De circuito integrado da Fronteira da Energia da Ciência da Iluminação, Laboratórios Nacionais de Sandia
Autor Correspondente: gtwang@sandia.gov

A Pesquisa sobre nanowires do semicondutor cresceu exponencial ao longo da última década, com muita atenção que centra-se sobre suas síntese, propriedades fundamentais, e aplicações potenciais. Nanowires é prolongamento alto, fio-como estruturas com os diâmetros que variam tipicamente de alguns nanômetros a alguns cem nanômetros. Nanowires compreendeu de virtualmente cada sistema do semicondutor, incluindo Si/Ge, Ii-Vis, e Iii-Contra, foi sintetizado até agora e exibe uma variedade de incluir interessante das morfologias sextavado, retangular, triangular, cilíndrico, e ramificou mesmo.

O Interesse em nanowires do semicondutor é devido na grande parte a suas propriedades térmicas, mecânicas, ópticas, químicas, e elétricas originais, a um resultado de sua relação alta do superfície-à-volume e a seu tamanho, que cruza um número de escalas físicas do comprimento característico, tais como o comprimento de difusão do exciton e o raio de Bohr, comprimentos de onda Uv-visíveis, trajecto livre médio do fonão, e tamanho crítico de domínios magnéticos. Estas propriedades novas conduziram a um número de demonstrações intrigantes de nanowires do semicondutor como o indivíduo ou elementos integrados do nanoscale em uma variedade de aplicações que variam do thermoelectrics, o nanophotonics, a detecção, o piezoelectrics, a colheita e o armazenamento da energia, e o nanoelectronics.1

Os Iii-nitretos (AlGaInN) são tecnològica os semicondutores directos importantes de faixa-Gap que absorvem e se emitem sobre uma escala muito larga e atractiva da energia do UV a visível aos comprimentos de onda infravermelhos, e são a base para produtos comerciais como diodos luminescentes visíveis (LEDs) e diodos láser azuis (por exemplo BluRay). Como tal, os nanowires baseados em semicondutores do Iii-nitreto estão sendo explorados para o uso potencial no Diodo emissor de luz, nos lasers, no photovoltaics, na rachadura da água, na eletrônica de alta velocidade/potência, e nas outras aplicações.

Contudo, antes que tais aplicações nanowire-baseadas possam praticamente ser realizados, diversos desafios existem nas áreas da síntese controlada e pedida do nanowire, fabricação de heterostrutura avançadas do nanowire, e de compreender e de controlar as propriedades térmicas, elétricas, mecânicas, e ópticas do nanowire. Em Laboratórios Nacionais de Sandia, sob o Centro de Pesquisa De circuito integrado da Fronteira da Energia da Ciência da Iluminação e outros programas, o Dr. George T. Wang e os colegas estão investigando a síntese e as propriedades de nanowires baseados Iii-nitreto com o objectivo de endereçar estes muitos desafios.

Os nanowires do Semicondutor podem ser fabricados por uma variedade de técnicas, incluindo as aproximações de baixo para cima que envolvem frequentemente uma partícula do catalizador do metal do nanoscale para dirigir o crescimento 1D através do mecanismo (VLS) vapor-líquido-contínuo, às aproximações litográficas invertidos. Quando both of these aproximações sintéticas forem exploradas em Sandia, o foco preliminar estêve no crescimento VLS-baseado de GaN e de nanowires de núcleo-SHELL do Iii-nitreto usando o depósito de vapor químico metal-orgânico (MOCVD). Figura 1 mostra o crescimento molde-livre, alinhado de nanowires de GaN em uma carcaça da safira através deste método.

A densidade do nanowire e o grau altos de alinhamento vertical, que é desejável para a integração vertical do dispositivo, são conseguidos pela selecção apropriada da orientação de cristal da carcaça e pelo controle cuidadoso do catalizador do metal assim como das condições do crescimento.2-4 Os nanowires são únicos cristais, com secções transversais triangulares (Figura 1b), e estão livres dos defeitos dispositivo-prejudiciais conhecidos como as deslocações que são comuns em filmes do Iii-nitreto. Esta qualidade cristalina alta dos nanowires, junto com a capacidade para fazer heterostrutura lubrificada e da liga sobre uma escala larga, ajustável do bandgap, faz-lhes candidatos atractivos para dispositivos eficientes da energia.

Figura 1. (a) imagem do microscópio de elétron (SEM) da Exploração do crescimento alinhado do nanowire de GaN na safira; (b) imagem do microscópio de elétron (TEM) da transmissão de um nanowire de GaN com a camada do escudo de AlGaN que mostra seu secção transversal triangular.

Uma variedade de técnicas do nanocharacterization estão sendo empregadas igualmente pelo Dr. Wang e seus colegas a fim compreender e melhorar finalmente as propriedades do nanowire. Por exemplo, as experiências espacial-resolved do cathodoluminescence estão sendo usadas para traçar as freqüências e as intensidades da emissão clara destes nanowires com definição do nanoscale,5 segundo as indicações de Figura 2.

Isto e outras técnicas ópticas que foram adaptadas a estudar estes nanostructures, incluindo a microscopia de exploração do próximo-campo6 e espectroscopias7 ópticas ultrafast e do profundo-nível8, revelaram detalhes tais como a origem e a concentração de impurezas e de outros defeitos de ponto nos nanowires, com o objectivo de reduzir os e seu impacto em dispositivos nanowire-baseados. 3D Poderosos9 e as técnicas in situ da microscopia de elétron10 permitiram, por exemplo, observando a divisão física de um dispositivo do nanowire sob a corrente eléctrica alta no tempo real em definições da atômico-escala.11

Figura 2. (a) imagem (CL) do Cathodoluminescence que mostra a emissão clara azul dos nanowires de GaN/InGaN núcleo-SHELL; (b) Imagem do CL que mostra luminescência amarela defeito-relacionada da região de superfície de um nanowire de GaN.

Além do que únicos dispositivos do nanowire, os conjuntos de nanowires podem igualmente ser leveraged em maneiras interessantes e vantajosas. Em Sandia, o Dr. Wang e os colegas desenvolveram uma técnica que usasse disposições verticalmente alinhadas do nanowire de GaN como um molde de alta qualidade para o crescimento dos filmes de alta qualidade de GaN em carcaças baratas, estrutura-combinadas mal, segundo as indicações de Figura 3.12 Os nanowires servem como “pontes complacentes” da tensão entre o filme coalescido de GaN e ser a base, a carcaça estrutura-combinada mal da safira, que as ajudas para minimizar a formação do defeito no filme de GaN e daqui para melhorar o desempenho do dispositivo.

Rendição da Figura 3. (a) Artista do crescimento nanowire-templated de um filme de GaN; (b) imagem de secção transversal de SEM que mostra a demonstração do crescimento nanowire-templated de GaN.

Em resumo, os nanowires do semicondutor do Iii-nitreto estão intrigando as estruturas novas que mostram a grande promessa como eficiente, os blocos de apartamentos do nanoscale para as aplicações que variam da iluminação de circuito integrado e os indicadores ao photovoltaics. Muitos esforços são em todo o mundo actualmente em curso compreender melhor suas síntese e propriedades a fim realizar sua capacidade plena.

Reconhecimentos

Financiamento do Sandia das Ciências DMSE da Energia (BES) da GAMA, da Tecnologia Energética da GAMA EERE do programa Básico de LDRD Nacional do Laboratório, e do Centro de Pesquisa De circuito integrado da Fronteira da Energia da Ciência da Iluminação de Sandia (GAMA BES). Os Laboratórios Nacionais de Sandia são um laboratório do multi-programa operado por Sandia Corporaçõ, uma subsidiária completamente possuída da empresa de Lockheed Martin, para o Ministério de E.U. da Administração Nuclear Nacional da Segurança da Energia sob o contrato DE-AC04-94AL85000.


Referências

1. A.I. Hochbaum, P.D. Yang, “Semicondutor Nanowires para a Conversão de Energia”, Revisões Químicas, 110, 527 2010.
2. Q. Li, G.T. Wang, “O Papel das Colisões no Crescimento Alinhado de Nanowires Vertical”, J. Cryst. Crescimento (Países Baixos), 310, 3706 2008.
3. Q. Li, G.T. Wang, “Melhoria no Crescimento Alinhado de GaN Nanowire que usa o Catalizador do Ni de Submonolayer Filma”, Appl. Phys. Lett., 93, 043119 2008.
4. G.T. Wang, A.A. Talin, D.J. Werder, J.R. Creighton, E. Lai, R.J. Anderson, caracterização molde-livres de I. Arslan, “alinhado Altamente, crescimento e de nanowires verticais de GaN na safira pelo depósito de vapor químico metal-orgânico”, Nanotecnologia, 17, 5773 2006.
5. Q.M. Li, G.T. Wang, “Distribuição Espacial da Luminescência do Defeito em GaN Nanowires”, Lett Nano., 10, 1554 2010.
6. L. Baird, G.H. ANG, C.H. Baixo, N.M. Haegel, A.A. Talin, Q.M. Li, G.T. Wang, da “difusão de portador da minoria Imagem Lactente em nanowires de GaN usando-se perto da microscopia óptica do campo”, Physica B, 404, 4933 2009.
7. P.C. Upadhya, Q.M. Li, G.T. Wang, A.J. Fischer, A.J. Taylor, R.P. Prasankumar, “A influência de estados do defeito na dinâmica do portador do desequilíbrio em nanowires de GaN”, em Ciência do Semicondutor e em Tecnologia, 25, 2010.
8. A. Armstrong, Q. Li, Y. Lin, A.A. Talin, G.T. Wang, de “o estado de superfície do nanowire GaN observou usando a espectroscopia óptica nivelada profunda”, Appl. Phys. Lett., 96, 2010.
9. I. Arslan, A.A. Talin, G.T. Wang, “Visualização Tridimensional dos Defeitos De Superfície em Núcleo-SHELL Nanowires”, Jornal da Química Física C, 112, 11093 2008.
10. Y. Lin, Q. Li, A. Armstrong, G.T. Wang, “caracterização elétrica In situ do microscópio de elétron da exploração de nanodiodes do nanowire de GaN usando o tungstênio e os nanoprobes do tungstênio/gálio”, Commun De Circuito Integrado. (EUA), 149, 1608 2009.
11. T. Westover, R. Jones, J.Y. Huang, G. Wang, E. Lai, A.A. Talin, “Photoluminescence, Transporte Térmico, e Divisão em GaN Joule-Caloroso Nanowires”, Lett Nano., 9, 257 2009.
12. Q. Li, Y. Lin, J.R. Creighton, J.J. Figiel, G.T. Wang, de “crescimento epitaxial lateral Nanowire-templated do um-plano nonpolar GaN da densidade da baixo-deslocação na safira do r-plano”, Adv. Mater., 21, 2416 2009.

Copyright AZoNano.com, Dr. George T. Wang (Laboratórios Nacionais de Sandia)

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

Last Update: 14. June 2013 04:37

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