(Phys.org) — Halvledarnanotrådar (NW) är försvinnande små:NW från en nyligen genomförd sats gjord av forskare vid PML:s Quantum Electronics and Photonics Division mäter cirka 200 nanometer i diameter (mindre än 1/500 av tjockleken på ett människohår) och 6 till 10 mikrometer långa, med inbäddade lager så tunna som 3,3 nm. Men trots deras storlek, halvledar NW är redo att spela en mycket stor roll i halvledarbelysning, kemiska sensorer, och vetenskapliga sonder i nanoskala.

Först, dock, forskare kommer att behöva bestämma hur man tillverkar högeffektiva NW-ljusemitterande dioder (LED) som är tillförlitligt enhetliga i sammansättning och morfologi, var och en med samma optiska emissionsspektrum och andra kritiska egenskaper. Och det, i tur och ordning, kommer att kräva en detaljerad förståelse för hur man uppnår optimal placering och lokalisering av olika atomarter när tråden och dess olika lager bildas.

Nu Norman Sanford och kollegor från Optoelectronic Manufacturing Group, med medarbetare vid Colorado School of Mines, har gjort stora framsteg mot det målet i en ny studie. De använde gruppens signatur molecular beam epitaxy (MBE) metod för att odla GaN nanotrådar med tunna lager av InGaN inbäddade med intervaller. För att använda en sådan NW som ljuskälla, en spänning appliceras på tråden, och InGaN-sektionerna bildar kvantbrunnar som fångar elektron-hålpar som rekombinerar för att producera luminescens.

"Kvantbrunnen gör denna rekombinations-luminescensprocess mycket mer effektiv än om du bara hade en enkel, plötslig p-n-korsning i GaN, " säger Sanford. "Men, för att vara en effektiv källa till luminescens inom ett smalt våglängdsband, kvantbrunnen måste förbli kompakt och enhetlig. Om indium diffunderar till omgivande regioner, brunnen breder ut sig, och det fungerar inte effektivt. Olika rumsliga delar med olika indiumkoncentrationer kommer att ha olika bandgap och tenderar därför att emittera ljus vid olika våglängder. Vi ville undersöka vilka faktorer som påverkar om en brunn förblir lokaliserad eller sprids när strukturen odlas."

Optimala tillväxtförhållanden för de separata GaN- och InGaN-segmenten kan vara olika. Så forskarna tillverkade olika NW:er över en rad temperaturer och molekylära strålegenskaper, och undersökte sedan vilken effekt dessa förhållanden hade på brunnarna. Att göra så, de använde en version av en teknik som kallas laserassisterad atomsondtomografi (L-APT). I en ultrahög vakuumkammare vid cirka 54 K, en konstant hög spänning appliceras på en NW. På samma gång, energi från en pulsad ultraviolett laser riktas mot den yttersta spetsen av tråden. Atomer i spetsen joniserar, dras från spetsen under det höga elektriska fältet, och resa till en tvådimensionell jondetektor cirka 90 mm bort.

Detektorn registrerar platsen för varje ankommande jon; sedan genom att använda laserpulserna som tidssignaler, forskare kan bestämma varje jons flygtid – och därav dess förhållande mellan laddning och massa. Jonpåverkanshändelserna på detektorn mappas tillbaka till sitt ursprung från provspetsen, och de ackumulerade data används för att bygga upp en 3-dimensionell bild av den kemiska sammansättningen av varje del av tråden.

Gruppen fann att trådbildningsförhållandena hade en mycket signifikant effekt på lokaliseringen av InGaN-skikt. "Det är möjligt att inducera diffusion och spridning av InGaN-skikten om tillväxtförhållandena för de efterföljande GaN-skikten inte justeras korrekt för att säkerställa att InGaN-regionerna förblir intakta, ", säger Sanford. "I vissa fall finner vi att konsolideringen av InGaN-lagren kan förstöras under den efterföljande tillväxten av ett GaN-segment – ​​även utan att några uppenbara yttre tecken på detta avslöjas i nanotrådarna. Dessutom, InGaN-kvantbrunnarna som förblir lokaliserade visar sig vara i form av tunna koniska InGaN-skal inbäddade i GaN nanotrådarna (och axiellt koncentriska med dem) snarare än platta skivliknande strukturer.

"L-APT är särskilt väl lämpad för att visa en 3D-rendering av InGaN-kvantbrunnarna och fördelningen av indium genom nanotrådsenheten. Så vitt vi känner till, detta är första gången L-APT har använts för att undersöka effekten av variationer i tillväxtprocesserna i studien av dessa strukturer." Resultaten stämde väl överens med NW-mätningar gjorda med en annan kompositionsavslöjande teknik, högupplöst transmissionselektronmikroskopi.

Forskarna fann också att olika L-APT-parametrar, såsom laserpulsenergi, kan orsaka falska mätningar av det skenbara förhållandet mellan gallium och indium och kväve, vilket indikerar en skenbar (men icke-fysisk) överflöd av metallbeståndsdelar jämfört med kväve. Detta fenomen, forskarna spekulerar, kan vara resultatet av höga laserpulsenergier som får neutrala kväveatomer att desorberas från NW. Dessa atomer skulle inte räknas av jondetektorn.

Inte överraskande, det är ovanligt svårt att manipulera enskilda nanotrådar av dessa dimensioner. För L-APT-analysen, en volframmanipulatorprob "svetsades" med platina till en enda tråd. Sedan placerades tråden i ett hål som borrats i provstolpen och svetsades in. manipulatorproben knäpptes av, lämnar NW stående vertikalt på stolpen och redo för L-APT-analys.

"Förmodligen är den största utmaningen att komma fram till ett tillförlitligt monteringsschema så att proverna överlever hela L-APT-analysprocessen utan att katastrofalt spricka, "Sanford säger. "Det krävde dussintals provmonteringsförsök för att uppnå de presenterade resultaten. Problemet uppstår eftersom den elektriska fältstyrkan vid spetsen av provet under drift är i storleksordningen 10 V/nm. Det är ett ganska högt elektriskt fält, men det måste vara så högt för att rippa joner och kluster av joner direkt från provspetsen för efterföljande mass-spektralanalys vid tidpunkten för flygningen. Vi arbetar fortfarande med att förbättra provmonteringsschemat för att göra det mer pålitligt och överlevbart."

Men för nu, "även med den troliga tvetydigheten i den absoluta 3D-koncentrationskartläggningen av kväve, " säger Sanfords kollega Kris Bertness, ledare för projektet Semiconductor Metrology for Energy Conversion, "det är tydligt att den L-APT-upplösta 3D-kartläggningen av gallium och indium har, för första gången, tillhandahållit viktig information för att vägleda tillväxtprocessen för dessa viktiga GaN/InGaN-heterostrukturer i nanoskala."