Vibrational Properties of Silicon Nanowires

The building block of today’s digital world is based on the silicon technology. Moreover, silicon is widely available, well studied and therefore will remain a very important part of digital technologies. In recent years the synthesis of semiconductor materials, structures and devices with dimensions ranging from a few angstrom to several nanometers, by a number of techniques [1], brings a new quality in the miniaturization of the semiconductor structures. Thin surfaces, nanowires, nanorods and quantum dots, show different mechanical, electrical and optical properties from those of the bulk Si [1–5]. An interesting aspect of confinement is that through varying of the size of the materials, their physical properties can be tuned. The deployment of one-dimensional nanostructures, such as silicon nanowires (SiNWs), in future generations of integrated electronic and optoelectronic devices makes the research on SiNWs promising and interesting [6]. The possible future application of SiNWs is conditional upon the studying of its mechanical, electrical and optical properties. Available works on mechanical properties of SiNWs show significant deviations from one another [7–12]. In this thesis the elastic properties, such as the bulk modulus and isothermal compressibility of SiNWs, were studied by means of high pressure Raman spectroscopy, accompanied by transmission electron microscopy (TEM). The findings showed a more pronounced pressure coefficient and consequently a higher compressibility for SiNWs compared to the bulk Si. Incorporating the resulted data obtained from Raman spectra of SiNWs under hydrostatic pressure and high-resolution TEM images, revealed that the lattice expansion of the Si-core was induced by its oxide shell. In a similar fashion, the effects of the oxide shell on the elastic and vibrational properties of SiNWs were studied. In core-shell structures, the coverage of a SiNW with a SiOx shell leads to a tensile strain of the Si core. Calculations based on the linear continuum elasticity model confirmed this observation. The remarkable increase of the FWHM of the Raman peak under external pressure, which was predicted theoretically to be a result of the LTO-phonon decay into LO+TA phonons, was observed in this study. This increase started at a lower pressure (4 GPa) for the SiNWs than the predicted value for the bulk Si (at about 7GPa). Moreover, the thickness of the oxide layer of SiNWs was found to affect the value of the critical pressure for the activation of a new decay channel. The temperature-dependent Raman measurements of SiNWs showed that the three and four phonon anharmonic processes were more pronounced than their bulk counterparts. Moreover, the cross-section of the electron-phonon interactions in the case of the acoustic phonons was found to increase as the temperature ascended. It was found that the observed saturation of Raman frequencies, measured on a bundle of SiNWs under increasing excitation power, was a consequence of morphological changes in SiNWs. These changes were determined to affect only the macroscopic and not the microscopic structure of SiNWs. Zusammenfassung Die Silizium-Technologie ist der zentraler Baustein der heutigen digitalen Welt. Darüber hinaus ist Silizium ein weit verbreiteter Stoff, welcher bereits ausführlich untersucht ist und daher weiterhin ein sehr wichtiger Bestandteil der digitalen Technologien bleiben wird. In den letzten Jahren hat die Synthese von Halbleitermaterialien, -Strukturen und -Geräten mit Abmessungen von wenigen Angström bis zu einigen Nanometern [1], eine neue Qualität in die Miniaturisierung der Halbleiterstrukturen gebracht. Halbleitermaterialien mit Größenbeschränkung zeigen unterschiedliche mechanische, elektronische und optische Eigenschaften im Vergleich zu den Eigenschaften der Volumen-Kristalle [1–5]. Der interessanteste Teil der Beschränkung der Materialiengröße ist, dass mit deren Variation die physikalischen Eigenschaften manipuliert werden können. Die zukünftige Anwendbarkeit von Silizium-Nanodrähten (SiND) in der Optoelektronik ist bedingt durch tiefgreifende Untersuchungen der mechanischen, elektronischen und optischen Eigenschaften dieser Strukturen. Verfügbare Werke über mechanischen Eigenschaften von SiND zeigen signifikante Unterschiede [7–12]. In der vorliegenden Arbeit wurden die elastischen Eigenschaften von SiND, wie der Kompressionsmodul und die Kompressibilität, mit Hilfe der Hochdruck-RamanSpektroskopie und der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Die Ergebnisse zeigen einen stärkeren Druck-Koeffizienten und damit eine höhere Kompressibilität für SiND im Vergleich zum Volumen-Material Silizium. Die Einbeziehung der Daten von hoch aufgelöster TEM zeigt, dass die Dehnung der Gitterabstände des Si-Kerns, induziert durch die SiOx Schale, verantwortlich für die höhere Kompressibilität von SiND ist. Mit einer ähnlichen Methode wurde der Einfluss der Oxid-Schale auf die Elastischenund Schwingungseigenschaften von SiND untersucht. Berechnungen basierend auf dem linearen Elastizitäts Kontinuum-Modell, bestätigen diese Beobachtung. Der bemerkenswerte Anstieg der Halbwertsbreite der Raman-Peaks unter äußerem Druck, welcher theoretisch vorhergesagt wurde, wurde in dieser Arbeit beobachtet. Dieser Anstieg ist auf den LTO-Phonon-Zerfall in LO+TA Phononen zurückzuführen. Dieser Anstieg beginnt im Fall von SiND bei einem niedrigerem Druck (4 GPa), im Vergleich zu dem vorhergesagten Wert für Volumen-Si (bei etwa 7 GPa). Darüber hinaus übt die Dicke der Oxidschicht einen Einfluss auf den Wert des kritischen Drucks aus, der für die Aktivierung eines neuen Zerfallskanals nötig ist. Die Temperaturabhängigen Raman-Messungen an SiND zeigen, dass unharmonischen Phonon-Prozesse dritter und vierter Ordnung in SiND im Vergleich zum Bulk Si verstärkt auftreten. Außerdem erhöht sich der Querschnitt der Elektron-PhononWechselwirkung im Falle der akustischen Phononen mit steigender Temperatur, wohingegen er im Falle der optischen Phononen konstant bleibt. Es wurde festgestellt, dass die beobachtete Sättigung der Raman-Frequenzen von SiND mit steigender Anregungsleistung vom Laser, eine Folge der MorphologieVeränderungen von SiND ist. Diese Veränderungen erfolgen im Makro-Maßstab, wodurch die Mikro-Struktur nicht verändert wird.