Interfacial structure and defects of heteroepitaxial thin films: plasmonic and exitonic nano-heterostructures
Creators: name: Μπαζιώτη, Καλλιόπη Αθανασίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2013
Subjects: Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Διέλευσης
Πλασμονικές νανοδομές
Προσαρμοζόμενα υποστρώματα
Transmission Electron Microscopy
Plasmonic nano-structures
Compliant substrates

description: Η εργασία εστιάζεται στη δομική επίδραση των διεπιφανειών και των δομικών ατελειών στις πλασμονικές και εξιτονικές ιδιότητες προηγμένων νανο-ετεροδομών, όπως προσδιορίστηκε κυρίως με τεχνικές ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (ΤΕΜ). Η εργασία αποτελείται από δύο μέρη. Το πρώτο αφορά την μελέτη της δομής νανοσύνθετων υμενίων AlN :Ag ανεπτυγμένων σε (001) υπόστρωμα Si με Pulsed Laser Deposition (PLD) και Magnetron Sputtering (MS), σε σχέση με το φαινόμενο του εντοπισμένου επιφανειακού πλασμονικού συντονισμού LSPR. Μετά την ανάπτυξη ακολούθησε ελεγχόμενη ανόπτηση με Laser (Laser Annealing -LA) με στόχο να ελεγχθεί το LSPR. Με τη χρήση ΤΕΜ υψηλής διακριτικής ικανότητας (ΗRΤΕΜ), οι δομικές ιδιότητες του υμενίου (μέγεθος, μορφολογία, κατανομή Ag και βαθμός κρυσταλλικότητας του AlN) μελετήθηκαν σε σχέση με τις παραμέτρους ανάπτυξης (συγκέντωση Ag, μήκος κύματος του Laser) πριν και μετά το LA. Παρατηρήθηκε ότι η κρυσταλλική μήτρα με δομή βουρτσίτη παρεμποδίζει την διάχυση του ευγενούς μετάλλου οδηγώντας σε δημιουργία μικρότερων νανοσωματιδίων σε σχέση με την άμορφη μήτρα. Σε κάθε περίπτωση, μετά το LA παρατηρήθηκε ξεκάθαρη αύξηση του μεγέθους των νανοσωματιδίων και είχαμε καλύτερο εγκιβωτισμό και διαχωρισμό των νανοσωματιδίων στη μήτρα. Σε αντίθεση με τα δείγματα που δεν είχαν υποστεί ανόπτηση, όπου η κατανομή των νανοσωματιδίων ήταν ομοιογενής, μετά το LA δημιουργήθηκαν δύο ζώνες πλούσιες σε Ag, η μία στη βάση και η άλλη στην επιφάνεια του υμενίου. Ιδανική συμπεριφορά παρατηρήθηκε στα 193 nm όπου η αύξηση του μεγέθους των νανοσωματιδίων συνοδεύτηκε με μερική ανακρυστάλλωση του AlN. Αύξηση του μήκους κύματος στα 248 nm προκάλεσε μειωμένη απορρόφηση της ακτινοβολίας από το διηλεκτρικό, οδηγώντας σε τραχύτητα και αμορφοποίηση του υποστρώματος, κατάσταση που εντάθηκε με τη μείωση της συγκέντρωσης του Ag από 25% σε 6.25%. Συμπερασματικά, το LA μπορεί, ελέγχοντας την νανοδομή με επιθυμητό τρόπο, να ελέγξει το LSPR σήμα. Το δεύτερο τμήμα εστιάζεται στην επίδραση πορωδών υποστρωμάτων GaAs στην επιταξιακή ανάπτυξη υμενίων InGaAs με στόχο την απορρόφηση της ελαστικής παραμόρφωσης και τη μείωση των εξαρμόσεων συναρμογής στη διεπιφάνεια InGaAs/GaAs. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν υμένια InxGa1-xAs με ονομαστική συγκέντρωση ινδίου x = 0.05, 0.10, και 0.20 με τη μέθοδο MOVPE σε πορώδη και μη πορώδη υποστρώματα GaAs. Η ανάπτυξη των πόρων έγινε με ηλεκτροχημικό τρόπο. Ο χαρακτηρισμός έγινε με ΤΕΜ σε δείγματα γεωμετρίας διατομής και με περίθλαση ακτίνων Χ. Ο υπολογισμός της συγκέντρωσης In έγινε με μετρήσεις φωτοφωταύγειας. Παρατηρήθηκε ότι υμένια ανεπτυγμένα σε πορώδη υποστρώματα διατήρησαν περισσότερη ελαστική παραμόρφωση και μικρότερη πυκνότητα εξαρμόσεων, σε σχέση με τα αντίστοιχα υμένια που αναπτύχθηκαν σε μη πορώδη υποστρώματα. Επιπλέον παρατηρήθηκε απόκλιση από την επίπεδη εντατική συνθήκη, που αποδίδεται σε διαμοιρασμό της παραμόρφωσης ανάμεσα στο υμένιο και στο υπόστρωμα. Οι εικόνες TEM έδειξαν πως οι εξαρμόσεις εισήχθησαν σε μία απόσταση 30 nm από το επίπεδο των πόρων. Αυτό το άνω τμήμα του GaAs λειτουργεί ως προσαρμοσμένο στην αύξηση του πάχους του υμενίου. Από την άλλη, οι επιφάνειες των πόρων λειτουργούν ως θέσεις πυρηνοποίησης εξαρμόσεων, οι οποίες ολισθαίνουν προς τη διεπιφάνεια. Έτσι η αφηρέμηση ξεκινά από το υπόστρωμα και όχι από το υμένιο. Συμπερασματικά, τα πορώδη GaAs υποστρώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως προσαρμοζόμενα υποστρώματα αφού υπομένουν σημαντικό ποσοστό της ελαστικής παραμόρφωσης, μειώνοντας τις εξαρμόσεις συναρμογής.
description: The thesis focuses on the structural influences of interfaces and defects on plasmonic and excitonic advanced nano-heterostructures, as determined principally using transmission electron microscopy (TEM) techniques. The work comprises two parts. The first concerns the structure of nanocomposite AlN:Ag films grown on (001)Si by Pulsed Laser Deposition and Magnetron Sputtering, studied in correlation to the Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) effect. Following growth, controlled laser annealing (LA) was performed aiming to photo-modulate the LSPR. Using high resolution ΤΕΜ (HRTEM), the film structural properties (size, morphology, distribution of Ag nanoparticles, and crystallinity of the AlN matrix) were studied in correlation to the growth and processing parameters (metal content, laser wavelength) before and after LA. Matrix crystallinity was found to significantly affect the diffusivity of Αg inside the matrix, leading to smaller crystallites compared to the amorphous case. A clear nanocrystal enlargement was always observed after LA, as well as better embedding and separation. In contrast to the untreated samples where the nanoparticles were rather homogenously distributed, LA promoted the formation of two Ag-rich zones, one close to the substrate and one at the film surface. Optimum behavior was observed for a single 193 nm pulse whereby Ag enlargement was combined with partial matrix recrystallization. Increasing the radiation wavelength caused reduced absorption by the dielectric, resulting in substrate roughening and amorphization, a phenomenon enhanced by decreasing the Ag density from 25% to 6.25%. In conclusion, LA can modulate the LSPR signal by influencing the AlN:Ag nanocomposite in a desirable way. The second part focuses on the influence of porous GaAs substrates on modulating compliant heteroepitaxy of ΙnGaAs and thus reducing the density of misfit dislocations at the InGaAs/GaAs interface. InxGa1-xAs epilayers with nominal indium contents x = 0.05, 0.10, and 0.20, were deposited by MOVPE on porous and nonporous GaAs substrates, prepared electrochemically using a fluoride-iodide aqueous electrolyte. Specimen characterization was performed using cross sectional TEM observations and x-ray diffraction. Photoluminescence measurements were employed in order to correlate the structural parameters to the indium content. We observed that epilayers grown on porous GaAs retained a significantly higher amount of elastic strain compared to similar ones grown on nonporous GaAs. This translated into an important reduction in the density of misfit dislocations. Furthermore, we found that the residual elastic strain in the films did not abide to the plane stress condition, i.e. the films were more relaxed along the growth direction than anticipated. This behavior was attributed to strain partitioning between the film and the substrate. TEM showed that the misfit dislocations were introduced at a distance of ~30 nm from the level of the pores. This upper part of the GaAs substrate becomes compliant to the misfit strain with increasing epilayer thickness. However, the pores acted as nucleation sites for dislocations that glided towards the interface. Hence strain relaxation proceeds from the substrate and not from the film surface side. In conclusion porous GaAs substrates act as compliant substrates, as they accommodate a significant amount of elastic strain, leading to reduced defect introduction.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)