III–V Nanowire Surfaces

Abstract: Popular Abstract in Swedish Nanoteknologi handlar om att på ett kontrollerat sätt utnyttja strukturer med minst en dimension i nanometerområdet (i storleksordningen 1 till 100 miljondels millimeter). Nanostrukturer har använts under lång tid och redan under medeltiden användes guldpartiklar av varierande storlek för att tillverka infärgade glas. Idag använder vi nanoteknologi dagligdags, t.ex. i våra mobiltelefoner. Sedan 60-talet har så kallade halvledarmaterial (främst kisel) revolutionerat vårt sätt att se på världen genom de uppfinningar som de har gett upphov till, exempelvis datorer. Halvledare är väldigt användbara då vi kan styra deras elektriska ledningsförmåga från isolerande till nästan metalliska. Solceller, lysdioder, och transistorer bygger alla på halvledarmaterial och klassiskt har dessa tillverkats (”odlats”) i två dimensioner (2D) med olika funktionella lager ovanpå varandra. Under mer än 10 år har det i Lund forskats på ett nytt sätt att odla halvledare: som nanotrådar. Nanotrådar har en diameter i storleksordningen tiotals nanometer och kan vara 100 gånger längre än vad de är tjocka. Att odla materialet i trådform har visat sig väldigt fördelaktigt då det bl.a. ger en möjlighet att kombinera material som inte går att få att passa ovanpå varandra vid 2Dodling. När saker görs mindre ökar andelen yta i förhållande till volym (bulk) och på grund av de små tjocklekarna för nanotrådar är mängden yta i förhållande till bulk väldigt stor. Det har en betydande påverkan på de elektroniska egenskaperna som härleds från hur atomerna är placerade i materialet (kristallsymmetrin). Vid ytan bryts per definition symmetrin och ytegenskaperna kommer därför skilja sig från de som finns inuti bulken. Eftersom ytan är den plats vid vilken materialet interagerar med omvärlden är det av yttersta vikt att veta dess egenskaper. Om man vet hur atomerna är arrangerade på ytan och deras kemiska tillstånd har man goda möjligheter att t.ex. förutspå vilka gaser som kan fastna på ytan, något som är viktigt vid tillverkning av sensorer. I den här avhandlingen beskriver jag tillvägagångssätt för att använda klassiska ytkaraktäriseringsmetoder för bestämning av atomers position samt deras elektroniska egenskaper för flera olika sorters halvledarnanotrådar. Metoderna som jag har valt att använda mig av är sveptunnelmikroskopi, lågenergielektronmikroskopi, fotoemissionselektronmikroskopi, och fotoelektronspektroskopi. I sveptunnelmikroskopi låter man elektroner tunnla – ett kvantmekaniskt fenomen där elektronerna kan passera barriärer som de klassiskt inte borde kunna – mellan provet och en atomärt skarp metallspets. Genom att flytta spetsen med oerhört hög precision (noggrannhet på 1 miljarddels millimeter) går det att mäta hur många elektroner som tunnlar på olika platser på provet. Med den informationen går det att visualisera var olika atomer finns på ytan och deras elektroniska egenskaper. I ett lågenergielektronmikroskop låter man elektroner med låg rörelseenergi interagera med provet och genom att undersöka hur elektronerna sprids kan man bilda sig en uppfattning om atompositioner på ytan. Ytkänsligheten kommer av att elektroner med låg energi sprids väldigt lätt och kan därför bara interagera med de översta atomlagren i provet. I ett fotoemissionselektronmikroskop belyser man provet med högintensivt, monokromatiskt, röntgenljus (synkrotronljus) vilket leder till emission av fotoelektroner. Genom att studera varifrån elektroner med olika rörelseenergi emitteras går det att bestämma vilka ämnen som finns på provet och var, deras kemiska tillstånd (t.ex. om de är oxiderade), samt eletroniska egenskaper såsom utträdesarbete. Elektronerna som studeras har även här låg energi vilket gör att metoden klassas som ytkänslig. Fotoelektronspektroskopi fungerar på ett liknande sätt, där röntgenljus får infalla på ett prov vilket leder till emission av elektroner. I fotoelektronspektroskopiuppställningen går det att få mycket högre energiupplösning än i mikroskopiuppställningen vilket gör att man t.ex. kan differentiera mellan olika oxider. I avhandlingen har jag studerat nanotrådar av 3 olika halvledarmaterial: galliumarsenid (GaAs), indiumarsenid (InAs), och indiumfosfid (InP). Dessa material besitter flertalet egenskaper som gör dem högintressanta för framtida optik- och elektroniklösningar. Exempelvis så rör sig elektroner väldigt snabbt i materialen (hög mobilitet) vilket gör att de lämpar sig väl för höghastighetselektronik. En intressant detalj med nanotrådar är att man kan ändra hur atomerna placerar sig i materialet genom att ändra odlingsparametrar. Som nämndes tidigare bestämmer atomernas position de elektroniska egenskaperna och de subtila skillnaderna mellan ett material odlat i olika kristallstrukturer har länge debatterats. Genom att studera nanotrådarna med flera olika tekniker hag jag kunnat utröna vad som händer både med atomernas position och deras elektroniska egenskaper då kristallstrukturen varieras. De upptäckterna är av intresse för såväl grundforskning som för tillämpningar inom exempelvis elektronik.