Analysis of nanostructures using of electron microscopy techniques
Creators: name: Φλωρίνη, Νικολέττα Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: Ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης
Νανοσύρματα
Κβαντικές Τελείες
Transmission electron microscopy
Nanowires
Quantum dots

description: Low dimensional semiconductor system such as quantum well, nanowires (NWs) and quantum dots (QDs) exhibit significantly different and often unique electrical, mechanical, chemical, magnetic and optical properties from their bulk 3-D crystalline counterparts. Therefore, their unparalleled properties make them exciting materials either for fundamental research or for technological applications. This thesis focuses on analysis and characterization of three groups of quantum nanostructures including nanowires (NWs) and quantum dots (QDs). There were three groups of samples which measurements performed using transmission electron microscopy (TEM) and the study focused mainly on the structural characteristics of the nanostructures and also on their general morphology in combination with their growth characteristics.Tin oxide (SnO2) nanowires (NWs) with different concentrations of Indium (In) from 0-95%, were grown using chemical vapor deposition (CVD) by M. Zervos, Assistant Professor, University of Cyprus. The growth mechanism was vapor-liquid-solid (VLS) using gold as catalyst (Au). The analysis show that the average diameter of SnO2 NWs was 50 nm while in In-doped SnO2 NWS was about 100nm and their length was more than few μms. Moreover, the SnO2NWs had tetragonal rutile crystal structure and their growth direction is the &lt;110&gt;, the SnO2: In 30% had also a tetragonal rutile crystal structure and their growth direction is the &lt;011&gt;, while nanocrystals of In2O3 were observed along the nanowires. Finally the SnO2:In 70% had a cubic bixbite structure of In2O3 and their growth direction is &lt;100&gt;, while nanocrystals of SnO2 were in the matrix of the nanowires.Silicon (Si) nanowires with different oxidation durations from 0-180 min were grown also using Chemical vapor deposition (CVD) by VLS mechanism with gold as catalyst, M. Zervos, Assistant Professor, University of Cyprus. The measurements reveal that all Si NWS consisting of a single-crystalline Si core, an amorphous SiO2shell and an Au droplet as catalyst on the top. The growth direction in each case was &lt;111&gt; the diameter of the core of Si NWs is approximately 70 -130 nm. The amorphous oxide shell does not increase linearly, but shows saturation behavior. Specifically, varies approximately from 25 to 45 nm according to the starting diameter of NW and the oxidation time.The last group of samples was Indium Arsenide (InAs) quantum dots (QDs) capping with a strain reducing layer (SRL) Gallium Arsenide Antimonite (GaAsSb). These samples have been grown using Metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) by MOVPE laboratory, Institute of Physics ASCR, v.v.i.. The thickness of GaAs layer and GaAsAb layer was measured in both samples. TEM images indicate that the size of the QDs is substantially increased during growth. Eventually, from GPA method was concluded that the strain in InAs QDs layers, capped with SRL GaAsSb is diverged from biaxial strain and inside the QDs the strain reduced considerably particularly when the concentration of GaAsSb was decreased gradually during growth. The overall strain was measured significantly lower in comparison with the predictions of the elasticity theory. This phenomenon is explained by the intermixing of the involved species which leads to the formation of ternary (InGaAs) and in many cases of quaternary (GaInAsSb) alloys.
description: Τα συστήματα ημιαγωγών χαμηλών διαστάσεων, όπως κβαντικά πηγάδια, νανοσύρματα (Nanowires - NWS) και κβαντικές τελείες (Quantum Dots - QDs) εμφανίζουν σημαντικά διαφορετικές ηλεκτρικές, μηχανικές, χημικές, μαγνητικές και οπτικές ιδιότητες από τα αντίστοιχα κρυσταλλικά υλικά όγκου (bulk). Ως εκ τούτου, οι μοναδικές ιδιότητές τους τα καθιστούν ιδιαίτερα υλικά, είτε για τη βασική έρευνα ή για τεχνολογικές εφαρμογές.Η παρούσα εργασία εστιάζει στην ανάλυση και το χαρακτηρισμό δύο τύπων κβαντικών νανοδομών, των νανοσυρμάτων και των κβαντικών τελειών. Εξετάστηκαν τρεις ομάδες δειγμάτων όπου οι μετρήσεις έγιναν χρησιμοποιώντας Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Διερχόμενης Δέσμης (ΤΕΜ). Τα νανοσύρματα Οξειδίου του Κασσιτέρου (SnO2 NWS) με διαφορετικές συγκεντρώσεις Ινδίου (In) από 0-95%, αναπτύχθηκαν με χημική εναπόθεση ατμών (CVD). Η ανάπτυξη έγινε μέσω του μηχανισμού vapor-liquid-solid (VLS). Κατά την ανάπτυξη χρησιμοποιείται καταλύτης χρυσού (Αu). Από την ανάλυση προκύπτει ότι η μέση διάμετρος των SnO2 NWs ήταν 50 nm, των SnO2 NWs με πρόσμιξη In ήταν περίπου 100 nm ενώ το μήκος τους ήταν περισσότερο από λίγα μm. Επιπλέον, τα SnO2 NWs χωρίς πρόσμιξη In έχουν τετράγωνη κρυσταλλική δομή ρουτιλίου και η διεύθυνση της ανάπτυξης τους είναι η &lt;110&gt;. Tα SnO2 με In 30% έχουν επίσης τετράγωνη κρυσταλλική δομή ρουτιλίου και η διεύθυνση της ανάπτυξης τους είναι η &lt;011&gt;, ενώ παρατηρήθηκαν νανοκρύσταλλοι In2O3 (Οξειδίου του Ινδίου) κατά μήκος των νανοσυρμάτων. Τέλος, στην περίπτωση των SnO2 NWs με In 70% έχουν κυβική δομή με διεύθυνση ανάπτυξης &lt;100&gt;, ενώ επίσης παρατηρήθηκαν νανοκρύσταλλοι SnO2 στην μήτρα των νανοσυρμάτων.Η δεύτερη ομάδα δειγμάτων περιλαμβάνει νανοσύρματα Πυριτίου (Si) με διαφορετική διάρκεια οξείδωσης από 0 - 180 min. Τα Si NWs αναπτύχθηκαν επίσης με τη μέθοδο χημικής εναπόθεσης ατμών (CVD) μέσω του μηχανισμού VLS χρησιμοποιώντας χρυσό ως καταλύτη. Από τις μετρήσεις προκύπτει ότι όλα τα NWs Si αποτελούνται από ένα μονοκρυσταλλικό πυρήνα Si, ένα άμορφο στρώμα SiO2 και ένα μονοκρύσταλλο καταλύτη Au στην κορυφή. Η διεύθυνση της ανάπτυξης είναι η &lt;111&gt; και η διάμετρος του πυρήνα των Si NWs είναι περίπου 70 -130 nm. Το πάχος του άμορφου οξειδίου δεν αυξάνει γραμμικά, αλλά παρουσιάζει συμπεριφορά κορεσμού. Συγκεκριμένα, το πάχος του κυμαίνεται από 25 έως 45 nm και εξαρτάται τόσο από την αρχική διάμετρο των NWs όσο και από το χρόνο οξείδωσης.Η τελευταία ομάδα των δειγμάτων περιλαμβάνει κβαντικές τελείες Ίνδιου Αρσενικού (InAs) οι οποίες καλύπτονται με ένα στρώμα Γάλλιο-Αρσενικό-Αντιμόνιο (GaAsSb) για μείωση της παραμόρφωσης. Αυτά τα δείγματα έχουν αναπτυχθεί με τη μέθοδο Metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE). Στα δείγματα μετρήθηκε το πάχος των στρωμάτων GaAs καθώς και του GaAsAb. Από την ανάλυση παρατηρείται ότι το μέγεθος των QDs αυξάνεται κατά την ανάπτυξη. Επίσης, μέσω της ανάλυσης GPA εξήχθη το συμπέρασμα ότι η παραμόρφωση των στρωμάτων των InAs QDs και του GaAsSb αποκλίνει από την επίπεδη εντατική κατάσταση ενώ εσωτερικά των QDs παρατηρείται σημαντική μείωση της παραμόρφωσης ιδιαίτερα όταν η συγκέντρωση του GaAsSb μειώνεται σταδιακά κατά την ανάπτυξη. Η συνολικά μετρούμενη παραμόρφωση βρέθηκε σημαντικά χαμηλότερη σε σχέση με την αναμενόμενη από τη θεωρία ελαστικότητας. Αυτό οφείλεται στην ανάμιξη των διαφόρων στοιχείων κάτι που συνεπάγεται το σχηματισμό τριμερών (InGaAs) και σε πολλές περιπτώσεις τετραμερών κραμάτων (GaInAsSb).
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)