Structural and chemical characterization of low-dimensional nano-heterostructures and defects by advanced HR(S)TEM methods
Authors: Βασιλειάδης Ισαάκ 
Published: November 2022

H διδακτορική διατριβή αφορά τη μελέτη και κατανόηση φυσικών νανομηχανισμών της ελαστοπλαστικής συμπεριφοράς, της χημικής σύνθεσης και της εισαγωγής ατελειών σε νανο-ετεροδομές με την χρήση τεχνικών ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (ΤΕΜ) και σαρωτικής διέλευσης (STEM). Η έρευνα εστιάστηκε σε δομικές διεργασίες που συμβαίνουν εντός ενός ή μερικών ατομικών επιπέδων και στο πώς αυτές καθορίζουν την τελική δομή του επιταξιακού υλικού. Η πειραματική παρατήρηση και ερμηνεία των νανομηχανισμών της δομής των υλικών στο ατομικό επίπεδο κατέστη εφικτή μέσω της ανάπτυξης και αξιοποίησης μιας ολοκληρωμένης ποσοτικής μεθοδολογίας προσδιορισμού και μοντελοποίησης ατομικών θέσεων από παρατηρήσεις (S)TEM υψηλής διακριτικής ικανότητας (HR(S)ΤΕΜ). H μεθοδολογία συνδυάζει προηγμένες τεχνικές HR(S)ΤΕΜ με τοπολογική ανάλυση, μοντελοποίηση ατομικών υπερκυψελίδων και προσομοίωση εικόνας έτσι ώστε να προκύπτουν δομικά μοντέλα μεγάλης ακρίβειας. Στα πλαίσια της διενεργούμενης έρευνας εφαρμόστηκε η μεθοδολογία για την ικανοποίηση τεσσάρων στόχων υψηλής τεχνολογικής σημασίας που αφορούσαν τη φυσική των δομικών νανομηχανισμών και ήταν οι εξής: (I) Μελέτη των δομικών ιδιοτήτων ετεροδομών InxGa1-xN/GaN υψηλής περιεκτικότητας ινδίου υπό μορφή πολλαπλών κβαντικών φρεάτων (QW) ανεπτυγμένων με επιταξία με μοριακές δέσμες (MBE) για εφαρμογές σε υπεραποδοτικές οπτοηλεκτρονικές διατάξεις (LED, Laser) και σε τοπολογικούς μονωτές. (II) Μελέτη της επίδρασης των σφαλμάτων επιστοίβασης στην εκτεταμένη εισαγωγή νηματοειδών εξαρμόσεων που αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της επιταξιακής ανάπτυξης υμενίων ημιαγωγών III-Ν. (ΙΙΙ) Μελέτη της δομής και κινητικότητας, υπό ροή ηλεκτρονίων, κλασματικών εξαρμόσεων στο GaN, που επηρεάζουν τη λειτουργία των διατάξεων. (IV) Μελέτη των δομικών ιδιοτήτων και των διεπιφανειών ετεροδομών λεπτών υμενίων MgO/Fe/Pt ανεπτυγμένων με e-beam evaporation για εφαρμογές σπιντρονικής. Σχετικά με τον Στόχο Ι η μελέτη αφορούσε QW πάχους ενός έως δύο ατομικών επιπέδων που αναπτύχθηκαν μεταβάλλοντας συστηματικά τη θερμοκρασία και τον ρυθμό ανάπτυξης. H χημική σύσταση των QW προσδιορίστηκε μέσω ανάλυσης της φωτεινής αντίθεσης ατομικού αριθμού (Z-contrast) με HRSTEM υψηλής γωνίας σκέδασης, καθώς και μέσω προσδιορισμού της παραμορφωσιακής κατάστασης στη νανοκλίμακα με χρήση γεωμετρικής ανάλυσης φάσης ή/και ανίχνευσης μεγίστων έντασης σε εικόνες HR(S)TEM. Διερευνήθηκε η επίδραση των συνθηκών ανάπτυξης στα δομικά χαρακτηριστικά, τη στοιχειομετρία και την παραμορφωσιακή κατάσταση των QW και προτάθηκε ο φυσικός μηχανισμός ανάπτυξης που βασίζεται στη σύνθεση μέσω ατομικής αντικατάστασης. Σχετικά με τον Στόχο ΙΙ, η μελέτη αφορούσε την επίδραση της υπέρθεσης, των βαθμίδων, και των πτυχώσεων των σφαλμάτων επιστοίβασης στην πυρηνοποίηση νηματοειδών εξαρμόσεων σε υμένια ημιαγωγών III-Ν. Με βάση τις παρατηρήσεις HRTEM και με εφαρμογή της τοπολογικής θεωρίας, προσδιορίστηκαν όλες οι δυνατές δομικές διαμορφώσεις που σχετίζονται με την εισαγωγή νηματοειδών εξαρμόσεων. Σχετικά με τον Στόχο ΙIΙ, προσδιορίστηκαν, υπό βέλτιστες συνθήκες παρατήρησης με HRTEM, οι δομικές διαμορφώσεις των πυρήνων των κλασματικών εξαρμόσεων και διερευνήθηκε in-situ η κινητική αυτών υπό την επίδραση της δέσμης των ηλεκτρονίων. Η κινητικότητα συσχετίστηκε με την πολικότητα του πυρήνα καθώς και με τη συγκέντρωση πλεγματικών κενών σε αυτόν. Σχετικά με τον Στόχο ΙV η μελέτη αφορούσε λεπτά διστρωματικά υμένια Fe/Pt ανεπτυγμένα σε υπόστρωμα MgO, μεταβάλλοντας συστηματικά τη θερμοκρασία ανάπτυξης του Pt. Οι παρατηρήσεις HR(S)TEM έδειξαν ότι στη διεπιφάνεια Fe/Pt σχηματίζονται είτε νανοσωματίδια οξειδίων Fe είτε διατεταγμένο κράμα L10-FePt αναλόγως των συνθηκών ανάπτυξης. Οι διεπιφανειακές αυτές διαμορφώσεις των ετεροδομών επηρεάζουν σημαντικά την εκπομπή σήματος στην περιοχή THz.