Στοιχειομετρική μελέτη υπέρλεπτων κβαντικών φρεάτων InN/GaN με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης-διέλευσης υψηλής διακριτικής ικανότητας (HRSTEM)
Creators: name: Βασιλειάδης, Ισαάκ Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Κβαντικά φρέατα InN/GaN
Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης-διέλευσης
Ανάλυση φωτεινής αντίθεσης λόγω ατομικού αριθμού
InN/GaN quantum wells
Scanning transmission electron microscopy
Z-Contrast analysis

description: Τα υπέρλεπτα κβαντικά φρέατα InN/GaN αποτελούν πόλο ενδιαφέροντος σήμερα τόσο για τις οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές τους σε διατάξεις LED και Laser καθώς και ως υποσχόμενοι τοπολογικοί μονωτές. Ένα σημαντικό ζήτημα είναι η δυνατότητα ανάπτυξης τέτοιων ετερο-νανο-δομών των οποίων το πάχος εκτείνεται σε μόλις μερικά ατομικά επίπεδα (MLs) καθαρού InN που παρεμβάλλονται ανάμεσα σε περιοχές καθαρού GaN. Στην παρούσα εργασία η συνολική μελέτη έγινε με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης-διέλευσης υψηλής διακριτικής ικανότητας (HRSTEM) με την χρήση δακτυλιοειδούς ανιχνευτή τύπου HAADF. Στόχος ήταν η λήψη χημικής και δομικής πληροφορίας από υπέρλεπτα κβαντικά φρέατα με διακριτική ικανότητα σε επίπεδο ατόμων. Ο προσδιορισμός της χημικής σύστασης έγινε κυρίως με ποσοτικές μετρήσεις και ανάλυση φωτεινής αντίθεσης λόγω ατομικού αριθμού (Z-Contrast) και δευτερευόντως με μετρήσεις πλεγματικής παραμόρφωσης μέσω των μεθόδων ανίχνευσης μεγίστων έντασης (peak finding) και γεωμετρικής ανάλυσης φάσης (GPA). Αρχικώς ακολουθήθηκε μία διαδικασία αναδίπλωσης των πειραματικών εικόνων ώστε να απομακρυνθεί ο θόρυβος και έπειτα έγινε κανονικοποίηση της έντασής τους ώστε να μπορεί να γίνει σύγκριση αυτών με τις εικόνες προσομοίωσης. Έπειτα εκτελέστηκε ένα εκτεταμένο σύνολο προσομοιώσεων εικόνων HRSTEM για να μπορεί να επιτευχθεί ακριβής προσδιορισμός της χημικής σύστασης στα κβαντικά φρέατα InN/GaN συγκρίνοντας εντάσεις φωτεινότητας μεταξύ πειραματικών εικόνων και εικόνων προσομοίωσης. Για να υλοποιηθούν αυτά έπρεπε να προσδιοριστούν τόσο οι αρχικές συνθήκες αφεστίασης όσο και το πάχος των δειγμάτων στις περιοχές των κβαντικών φρεάτων. Για τον προσδιορισμό της αφεστίασης διεξήχθησαν προσομοιώσεις με την μέθοδο Bloch Wave υπό δυναμικό απορρόφησης. Για το πάχος απαιτήθηκαν χρονοβόρες προσομοιώσεις με τη μέθοδο Frozen Phonon έτσι ώστε να υπάρξουν ακριβή αποτελέσματα. Το πάχος στα κβαντικά φρέατα καθορίστηκε αφού πρώτα υπολογίστηκαν τα πάχη στις περιοχές καθαρού GaN εκατέρωθεν αυτών. Θα πρέπει να αναφερθεί ότι η επίδραση των άμορφων στρωμάτων που εμφανίζονται στα δείγματα κατα την διάρκεια της παρασκευής τους έχει ληφθεί υπόψιν στη συνολική μελέτη διεξάγοντας ένα σύνολο προσομοιώσεων και για τις ανάλογες άμορφες δομές. Από το σύνολο των προσομοιώσεων και προσδιορίζοντας την διεύρυνση της δέσμης καταλήγουμε σε δύο τελικά διαγράμματα. Από το διάγραμμα έντασης του καθαρού GaN συναρτήσει του πάχους του δείγματος μπορούμε να εκτιμήσουμε το πάχος των περιοχών καθαρού GaN. Το δεύτερο διάγραμμα των λόγων εντάσεων InxGa1-xN/GaN συναρτήσει του πάχους προέκυψε από προσομοιώσεις με την μέθοδο Frozen Phonon τόσο αφηρεμισμένων δομών κβαντικών φρεάτων διαφόρων παχών και στοιχειομετρίων όσο και του καθαρού InN. Με το διάγραμμα αυτό προσδιορίστηκαν οι στοιχειομετρίες των κβαντικών φρεάτων λαμβάνοντας υπόψιν μία τροποποιημένη εκδοχή του νόμου του Vegard για τον λόγο των εντάσεων
description: InN/GaN short period superlattices have concentrated a lot of interest recently due to their anticipated applications in optoelectronic devices, such as LEDs and lasers, as well as due their potential topological insulator behavior. A major issue concerns the feasibility of growth of such nano-heterostructures comprising only a few monolayers (MLs) of pure InN with GaN barriers. In this thesis high-angle annular dark field (HAADF) high resolution scanning transmission electron Microscopy (HRSTEM) was employed in order to obtain atomic scale information on the composition and strain of such ultra-thin layers. Compositional quantification was performed by quantitative methods using Z-contrast analysis, and strain measurements using peak finding with the peak pairs method, as well as geometric phase analysis. Noise reduction of HRSTEM images was accomplished by image averaging. Following normalization of image intensity, quantification of HRSTEM observations was performed. Extensive image simulations were undertaken in order to correlate the compositional range of the InN/GaN QWs to the image intensity. To this end, the defocus conditions and sample thickness in QWs were first determined. Time efficient Bloch wave calculations with absorptive potential approximation were employed for the determination of the image defocus conditions, and the more exact frozen phonon method was utilized for the accurate thickness determination. The sample thickness in QW areas was estimated taking into account the mean intensity of the GaN barriers. The effect of amorphous surface layers due to sample preparation was also taken into consideration through the simulation of such amorphous structures. After the determination of the HWHM probe size, two graphs were constructed from the image simulations. The thickness dependent graph of GaN mean intensity was employed for thickness determination in the area of the GaN barriers. The thickness dependent graph of the InxGa1-xN/GaN mean intensity ratio was employed for the quantification of QW composition on using a modified Vegard law dependence of the intensity ratio. That graph was constructed from HRSTEM images that were simulated using both energetically relaxed supercells, as well as pure InN
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)