Ett forskargrupp vid Ehime University banade ett sätt att uppnå outforskade III-V halvledarnanostrukturer. De odlade förgrenade GaAs nanotrådar med ett icke -toxiskt Bi -element med karakteristiska strukturella modifieringar korrelerade med metalliska droppar, liksom kristallina defekter och orienteringar. Fyndet ger ett rationellt designkoncept för skapandet av halvledarnanostrukturer med koncentrationen av beståndsdelar bortom den grundläggande gränsen, vilket gör det potentiellt tillämpligt på nya effektiva nära-infraröda enheter och kvantelektronik.

Nanowire är en stavkonstruktion med en diameter som vanligtvis är smalare än flera hundra nanometer. På grund av dess storlek och struktur, den uppvisar karakteristiska egenskaper som inte finns i större bulkmaterial. Studien av III-V halvledar nanotrådar har väckt stort intresse under de senaste decennierna på grund av deras potentiella tillämpning i nanoskala kvant, fotonisk, elektronisk, och energiomvandling, och i biologiska anordningar, baserat på deras endimensionella natur och stora yta till volymförhållande. Införandet av en epitaxiell heterostruktur underlättar kontrollen över transport och elektroniska egenskaper hos sådana enheter, visar potentialen för att förverkliga integrerade system baserade på III-V-föreningar och Si med överlägsna elektroniska och optiska funktioner.

III-V-sammansatta halvledare är en av de högsta i rörlighet och foton-elektronkonverteringseffektivitet som finns. Bland dem, GaAs är en representativ III-V-sammansatt halvledare, som används för höghastighetstransistorer, liksom högeffektiva nära-infraröda ljusemitterande dioder, lasrar, och solceller. Optiska enheter baserade på III-V GaA lider av inneboende förluster relaterade till värmeproduktion. För att kringgå detta, användningen av utspädd bismid GaAsBi-legering med ett icke-toxiskt Bi-element har nyligen uppmärksammats eftersom introduktionen av Bi undertrycker värmegenereringen samtidigt som elektronljuskonverteringseffektiviteten ökar. Därför, att införliva utspädd bismid GaAsBi-legering i nanotrådar är en rationell metod för att utveckla högpresterande optoelektroniska nanodatorer. Under tiden, grenade eller trädliknande nanotrådar erbjuder ett tillvägagångssätt för att öka strukturell komplexitet och förbättra de resulterande funktionerna som i sin tur möjliggör förverkligandet av strukturer med högre dimension, lateral anslutning, och sammankoppling mellan nanotrådarna.

Med hjälp av en atomiskt exakt kristalltillväxtteknik som kallas molekylär stråleepitaxi, Ehime University-gruppen kontrollerade bildandet av Bi-inducerade nanostrukturer i tillväxten av grenade GaAs/GaAsBi core-shell nanotrådar. Således, de banade ett sätt att uppnå outforskade III-V halvledarnanostrukturer med den karakteristiska övermättnaden av katalysatordroppar, strukturella modifieringar inducerade av belastning, och införlivande i värd GaAs -matrisen korrelerad med kristallina defekter och orienteringar.

Den vetenskapliga artikeln som presenterar deras resultat publicerades den 17 september i tidningen Nano bokstäver .

Gruppen hade tidigare erhållit GaAs/GaAsBi heterostructure nanotrådar på Si med en 2 procent mindre Bi -koncentration än den tidigare rapporten. Nanotrådarna uppvisade specifika strukturella egenskaper, har en grov yta med korrugeringar, som troligen inducerades av den stora ojämnheten mellan gitter och resulterande stamackumulering mellan GaAs och GaAsBi -legeringen. Också, Bi fungerar som ett ytaktivt ämne för att kontrollera ytenergin, vilket provocerar syntesen av nanostrukturer. Dock, effekterna av Bi -introduktion på tillväxten av GaAsBi -legeringar är långt ifrån fullständigt förstådda. I rapporten de undersöker egenskaperna och tillväxtmekanismerna för GaAs/GaAsBi core-shell flerskiktade NW på Si (111) substrat, med fokus på den strukturella deformation som induceras av Bi. För att syntetisera grenade III-V nanotrådar, konventionellt, metalliska katalysator -nanopartiklar, oftast Au, används som kärnbildningsfrön för tillväxt av grenarna. Å andra sidan, gruppen använde självkatalysator Ga- och Bi-droppar som kan undertrycka föroreningen av icke-beståndsdelar. När Ga är bristfällig under tillväxt, Bi ackumuleras på hörnet av kärn -GaAs nanotrådar och fungerar som en nanotrådstillväxtkatalysator för de grenade strukturerna till specifik kristallin azimut. Det finns en stark korrelation mellan Bi -ackumulering och stapelfel. Vidare, Bi införlivas företrädesvis på en begränsad GaAs ytorientering, vilket leder till rymdselektiv Bi -inkorporering i ett begränsat område som har en Bi -koncentration 7 procent över den grundläggande gränsen. Den erhållna GaAs/GaAsBi/GaAs heterostrukturen med gränssnittet definierat av de kristallina dubbla defekterna i ett atomskikt, som potentiellt kan appliceras på en kvantbegränsad struktur.

Fyndet ger ett rationellt designkoncept för skapandet av GaAsBi -baserade nanostrukturer och kontroll av Bi -inkorporering bortom den grundläggande gränsen. Dessa resultat indikerar potentialen för en ny halvledarnanostruktur för effektiva nära-infraröda enheter och kvantelektronik.