| License: Publishing license for publications including print on demand PDF - Published Version (17MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-334978
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.33497
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Place of Publication: | Regensburg |
| Number of Pages: | 155 |
| Date: | 17 March 2016 |
| Referee: | Prof. Dr. Josef Zweck and Prof. Dr. Dominique Bougeard |
| Date of exam: | 3 February 2016 |
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Alumni or Retired Professors > Chair Professor Back > Group Josef Zweck Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Huber > Group Dominique Bougeard |
| Projects: | SFB 689: Spinphänomene in reduzierten Dimensionen (Dissertationen und Forschungsdaten) |
| Keywords: | Transmission electron microscopy, Differential Phase Contrast, Nanowires, Gallium Arsenide, Manganese Arsenide, Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy, Gallium Phosphide, TEM, STEM, DPC, EDX, GaAs, MnAs, GaP, Wurtzite, Zinc-Blende, Spontaneuous Polarization, Polytypism, Magnetic Semiconductors |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 33497 |
Abstract (English)
The research on semiconductor nanowires – tiny semiconductor crystals of sub-micron diameter and some microns length – has, although around only for about one and a half decade, already significantly diversified and developed. However, it has relied on characterization methods provided by electron microscopy since the earliest days, on the one hand as their sheer size keeps them out of reach of ...
Abstract (English)
The research on semiconductor nanowires – tiny semiconductor crystals of sub-micron diameter and some microns length – has, although around only for about one and a half decade, already significantly diversified and developed. However, it has relied on characterization methods provided by electron microscopy since the earliest days, on the one hand as their sheer size keeps them out of reach of light-based imaging techniques and on the other hand due to their interesting structural properties down to the atomic level, which is one of the core capabilities of transmission electron microscopy when it comes to characterization. While the first years of research were governed mainly by exploration of their most fundamental properties and finding out the mechanisms of their synthesis, meanwhile already a lot of progress has been made towards the controlled growth and manipulation of their properties. Also, people quite early extended the activities beyond practising nanowire research for its own sake and started to seek ways to make use of their unique features for applications – both in the literal sense, i.e. the development of nanowire based devices and functionalization, as well as in the less applied sense, where the nanowires are used as a model system to investigate fundamental material properties.
Applying several transmission electron microscopical techniques, this thesis contains contributions to both of the fields mentioned above:
Concerning the research on fundamental material properties spontaneous polarization is a property unique to the wurtzite crystal structure, which was within the III–V semiconductors up to now only known to be present in the nitride based ones since they are the only ones that grow by default in the wurtzite crystal structure. Only since the discovery of nanowire growth this crystal structure has gotten available also for the other III–V semiconductor materials and provides a model system to access its properties experimentally and verify the theoretical calculations that have been done on such (up to then hypothetical) crystal structures. The first part of this work therefore contains the first direct experimental observation of the spontaneous polarization in the III–V semiconductor materials gallium arsenide (GaAs) and gallium phosphide (GaP).
More towards the application oriented side is the field of spintronics, i.e. the development of electronic devices that make use of the electron spin instead of the charge as the fundamental property to transfer, process and store information. This field requires the fabrication of ferromagnetic device structures that allow to generate and detect spin polarized electrons within the semiconductor materials it should integrate with. One candidate for such a ferromagnetic material is manganese arsenide (MnAs) which includes semiconducting and ferromagnetic properties within one material and is hence considered to be an important building block with respect to the development of spin-based electronic devices. The second part of this work is the characterization of such MnAs nanocrystals that have been grown on top of GaAs nanowires.
The document at hand is organized in five main chapters of which the first three describe the theoretical and experimental framework in which this work took place, while the remaining two present the results that have been achieved.
Chapter 2 gives an introduction into the topic of semiconductor nanowires, about their synthesis, and their properties of interest, with a special focus on III–V semiconductor nanowires and especially gallium arsenide (GaAs) and gallium phosphide (GaP) nanowires. Since one of the features of semiconductor nanowires is their polytypism, i.e. the possibility to adopt different crystal structures, in Chapter 3 the occurring crystal structures and some of their properties and implications are discussed. Chapter 4 explains the transmission electron microscope – the experimental instrument used – and the analytical methods available in this device which were employed in this work.
The first experimental chapter, Chapter 5, presents the experimental evidence of spontaneous polarization in gallium arsenide and gallium phosphide. In addition, based on the issues that arose with the quantitative evaluation of the measurements, the properties and experimental limitations of the differential phase contrast (DPC) microscopy technique are discussed. Finally in Chapter 6, the second experimental chapter, the characterization of samples from a growth study on the route towards the inclusion of manganese arsenide (MnAs) is described.
Translation of the abstract (German)
Die Forschung an Halbleiter-Nanodrähten – winzigen Halbleiterkristallen mit Durchmessern kleiner als ein Mikrometer und einigen Mikrometern Länge – hat sich, obwohl erst etwa eineinhalb Jahrzehnte alt, bereits deutlich entwickelt und diversifiziert. Trotzdem hat sie seit den frühen Tagen Gebrauch von der Elektronenmikroskopie gemacht; einerseits einfach weil die Größe der Nanodrähte unterhalb der ...
Translation of the abstract (German)
Die Forschung an Halbleiter-Nanodrähten – winzigen Halbleiterkristallen mit Durchmessern kleiner als ein Mikrometer und einigen Mikrometern Länge – hat sich, obwohl erst etwa eineinhalb Jahrzehnte alt, bereits deutlich entwickelt und diversifiziert. Trotzdem hat sie seit den frühen Tagen Gebrauch von der Elektronenmikroskopie gemacht; einerseits einfach weil die Größe der Nanodrähte unterhalb der Auflösungsgrenze lichtbasierter Abbildungstechniken ist und andererseits wegen ihrer interessanten strukturellen Eigenschaften bis hinunter auf atomare Ebene, wobei letzteres eine der wichtigsten Stärken der Elektronenmikroskopie in Sachen Charakterisierung ist. Während die ersten Jahre davon geprägt waren, die fundamentalen Eigenschaften und die Mechanismen ihres Entstehens zu ermitteln, wurde mittlerweile bereits einiger Fortschritt erzielt, der es erlaubt, das Wachstum und die Eigenschaften kontrolliert zu manipulieren. Daneben wurde relativ frühzeitig über die reine Erforschung als Selbstzweck hinaus nach Möglichkeiten gesucht, um ihre einzigartigen Eigenschaften für Anwendungen zugänglich zu machen – dies in zweierlei Hinsicht, nämlich durch die Entwicklung von Nanodraht-basierten Bauelementen und Funktionalisierung und im weniger angewandten Sinne als Modellsystem, um grundlegende Materialeigenschaften zu untersuchen.
In der vorliegenden Arbeit wurden transmissionselektronenmikroskopische Techniken angewandt, um Beiträge zu beiden Themenkomplexen zu erbringen:
Im Feld der grundlegenden Materialeigenschaften ist die spontane Polarisation eine Eigenheit der Wurzit-Kristallstruktur, die innerhalb der III-V-Halbleiter bisher nur in den Nitrid-basierten Materialien bekannt war, da diese als einzige üblicherweise in der Wurzit-Struktur wachsen. Erst durch die Entdeckung des Nanodrahtwachstums wurde diese Kristallstruktur auch in anderen III-V-Halbleitern zugänglich, was es erlaubt, ihre Materialeigenschaften experimentell zu bestimmen und die theoretischen Vorhersagen für diese bisher nur hypothetische Kristallstruktur zu überprüfen. Das erste Ergebnis dieser Arbeit ist daher der erstmalige direkte experimentelle Nachweis der spontanen Polarisation in der Wurzitphase der III-V-Halbleiter Galliumarsenid (GaAs) und Galliumphosphid (GaP).
Eher auf der anwendungsorientierten Seite findet sich das Feld der Spintronik, also der Entwicklung von elektronischen Bauelementen, die anstatt der üblicherweise verwendeten Elektronenladung den Elektronenspin nutzen, um Informationen zu übertragen, verarbeiten und zu speichern. Für dieses Gebiet ist die Herstellung von ferromagnetischen Strukturen notwendig, mit denen spinpolarisierte Elektronen innerhalb eines Halbleitermaterials erzeugt und detektiert werden können und die dazu in Halbleiterbauteile integriert werden können. Ein Kandidat für ein solches ferromagnetisches Material ist Manganarsenid (MnAs), das halbleitende und ferromagnetische Eigenschaften in sich vereint und daher als wichtiger Baustein in Bezug auf die Entwicklung spinbasierter elektronischer Bauelemente gehandelt wird. Die zweite Erkenntnis aus dieser Arbeit enthält die Charakterisierung von MnAs-Nanokristallen, die auf der Spitze von GaAs-Nanodrähten gewachsen wurden.
Die vorliegende Arbeit ist in fünf Hauptkapitel gegliedert, wobei die ersten drei die theoretischen und experimentellen Grundlagen beschreiben, in die diese Arbeit eingebettet ist, und die beiden verbleibenden Kapitel die experimentellen Ergebnisse enthalten.
Kapitel 2 ist eine kurze Einführung in das Feld der Halbleiter-Nanodrähte, ihre Herstellung und interessante Eigenschaften mit einem besonderen Augenmerk auf III-V-Halbleiter-Nanodrähte und insbesondere Nanodrähte aus Galliumarsenid und Galliumphosphid. Da eine der besonderen Eigenschaften der Halleiter-Nanodrähte der sogenannte Polytypismus ist, die Eigenschaft, verschiedene Kristallstrukturen anzunehmen, werden in Kapitel 3 die vorkommenden Kristallstrukturen und einige ihrer Eigenschaften und Implikationen diskutiert. Kapitel 4 beschreibt das Transmissionselektronenmikroskop und die analytischen Methoden, die in dieser Arbeit verwendet wurden.
Das erste experimentelle Kapitel, Kapitel 5, umfasst den experimentellen Nachweis der spontanen Polarisation in Galliumarsenid und Galliumphosphid. Zusätzlich werden darin Eigenschaften und Grenzen der Technik Differentielle Phasenkontrastmikroskopie (DPC) diskutiert, die sich aus den Schwierigkeiten bei der quantitativen Auswertung der Messungen ergeben haben. Zuletzt wird in Kapitel 6 die Charakterisierung von Proben beschrieben, die aus einer Wachstumsstudie mit dem Ziel der Integration von Manganarsenid (MnAs) in den Nanodraht stammen.
Metadata last modified: 25 Nov 2020 22:54
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