Tomografia de elétrons de GaN em forma de lápis / (In, Ga) N Núcleo-Shell Nanowires

Resumo

A estrutura tridimensional de nanofios de núcleo-casca de GaN / (In, Ga) N com vértice multifacetado em forma de lápis é analisada por tomografia eletrônica usando o modo de campo escuro anular de alto ângulo em um microscópio eletrônico de transmissão de varredura. O crescimento seletivo da área em modelos de GaN-em-safira usando uma máscara padronizada é realizado por epitaxia de feixe molecular para obter matrizes ordenadas de nanofios uniformes. Nossos resultados da reconstrução tomográfica permitem a determinação detalhada da morfologia complexa da estrutura da casca multifacetada interna (In, Ga) N e seu desvio da simetria hexagonal perfeita. O tomograma identifica inequivocamente uma configuração ponto-em-um-fio no ápice do nanofio, incluindo a forma e o tamanho exatos, bem como a distribuição espacial de sua composição química.

Introdução

O processo contínuo de miniaturização de dispositivos optoeletrônicos deu origem ao desenvolvimento de nanoestruturas tridimensionais (3D) complexas. A este respeito, os nanofios (NWs) são candidatos promissores para realizar estruturas de poços quânticos ou pontos quânticos (QD) de alta qualidade devido à sua grande razão superfície-volume associada a um relaxamento de deformação eficiente em heteroestruturas NW axiais ou radiais [1, 2,3]. Melhorias recentes no crescimento de área seletiva (SAG) por epitaxia de feixe molecular (MBE) em modelos de GaN-em-safira levaram à fabricação de arranjos GaN NW ordenados e uniformes com topo plano ou em forma de lápis [4, 5]. O último foi usado para fabricar estruturas de casca (In, Ga) N / GaN crescidas na ponta multifacetada do núcleo de GaN, fornecendo uma solução alternativa para o crescimento de QDs. Aproveitando o diâmetro NW reduzido e a possibilidade correspondente de crescimento de heteroestruturas com seções curtas de gap de banda baixa (In, Ga) material N inserido em barreiras GaN leva à formação do chamado ponto-em-fio (DIW ) estruturas. Dependendo das dimensões reais, esta configuração DIW possibilitou a emissão de fótons únicos polarizados linearmente, usando o principal benefício de sondar facilmente apenas um único NW em vez de um conjunto NW [6,7,8]. Uma análise microestrutural detalhada dessas heteroestruturas DIW é, no entanto, necessária para entender a influência da morfologia NW, as espessuras da casca e a composição química local nas características de emissão de fóton único.

O microscópio eletrônico de transmissão (TEM) é uma ferramenta poderosa e freqüentemente utilizada para obter informações sobre a estrutura e composição química de tais nanoestruturas em escala atômica [9]. No entanto, a simetria inferior dessas nanoestruturas 3D em comparação com, por exemplo, sistemas planares torna a interpretação de micrografias TEM muito mais difícil. Uma das principais características é a transmissão da amostra pelo feixe de elétrons para que a informação estrutural seja projetada em uma imagem bidimensional. Variações da estrutura da amostra na direção do feixe de elétrons e na ordem da espessura da amostra, ou inferior, são muito difíceis ou mesmo impossíveis de detectar diretamente. A tomografia eletrônica pode contornar esse problema. Em vez de usar uma única projeção da amostra, uma série de projeções com diferentes ângulos de inclinação do objeto é registrada para reconstruir as informações 3D da amostra. Isso permite novas e avançadas possibilidades para descrever e analisar a morfologia e a composição química de estruturas complexas como NWs núcleo-casca. Até agora, apenas algumas publicações foram publicadas sobre a tomografia eletrônica em estruturas NW [9,10,11,12,13,14,15] ou estruturas QD embutidas [16].

Este trabalho descreve a aplicação da tomografia eletrônica para a caracterização estrutural de GaN NWs ordenados contendo uma casca (In, Ga) N embutida. A preparação da amostra é explicada aqui em detalhes devido ao desafio de tornar NWs únicos acessíveis para tomografia de elétrons por isolamento, sem introduzir danos. A morfologia da superfície e facetamento do cristal do NW são estudados através da análise das representações 3D da superfície da camada externa de GaN. A estrutura interna do NW, ou seja, a morfologia da casca (In, Ga) N, bem como a distribuição espacial da composição química, é discutida com a ajuda de fatias bidimensionais do volume reconstruído e dispersivo de energia complementar Medições de espectroscopia de raios-x (EDX).

Métodos

Material

Os GaN / (In, Ga) N NWs foram cultivados em um modelo comercial de GaN-on-safira (0001) (LUMILOG) com uma espessura de camada tampão de GaN de 3,3 μm por epitaxia de feixe molecular assistido por plasma (PAMBE). Em uma primeira etapa, a litografia coloidal foi usada para criar uma máscara de nanofuro de Ti construindo um padrão hexagonal. O SAG subsequente produziu uma matriz periódica de GaN NWs com vértices semelhantes a lápis. Os núcleos de GaN NW foram cobertos por uma camada fina (In, Ga) N em temperatura de crescimento mais baixa e, em seguida, completados por uma camada de cobertura de GaN fina sem alterar a temperatura. Um esquema do processo de crescimento é mostrado na Fig. 1a. Detalhes sobre o procedimento de padronização do substrato e o processo SAG MBE podem ser encontrados em outro lugar [6, 7, 17]. A Figura 1 representa duas imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) da amostra mostrando a matriz hexagonal de NWs da vista superior (b) e com uma vista inclinada de 45 ° (c) em maior ampliação. As micrografias SEM revelam um arranjo relativamente homogêneo, com apenas pequenas variações na forma e no comprimento. O diâmetro médio dos NWs é cerca de 180 nm, e a altura média é cerca de 500 nm.

a Esquema do processo de crescimento NW. Micrografias SEM de b uma matriz de GaN / (In, Ga) N NWs da vista superior e c Visão inclinada de 45 ° com maior ampliação

Preparação da agulha para tomografia

Uma técnica de preparo sofisticada é necessária para obter o espécime de tomografia em forma de agulha contendo apenas um único NW. Uma agulha de formato redondo permite a faixa máxima de inclinação de 180 °, em que a espessura da amostra é quase constante para todos os ângulos de inclinação. O microscópio de feixe de íons de gálio focalizado (FIB) permite a preparação de amostra específica para o local. Um sistema de microscópio de duplo feixe (JEOL JIB-4501) foi empregado para este trabalho. As etapas de preparação a seguir são baseadas na técnica de levantamento FIB padrão com um desbaste subsequente para obter a amostra em forma de agulha [18,19,20].

As várias etapas da preparação estão resumidas na Fig. 2. Inicialmente, a área de interesse é selecionada, que é identificada por um arranjo hexagonal imperturbado e quase perfeito de alguns NWs (marcado com uma caixa branca na Fig. 2a). Este volume de sonda selecionado deve ser preenchido com carbono para proteger o NW durante o processo de moagem FIB [21]. As deposições de carbono foram realizadas em duas etapas a fim de reduzir a contaminação de Ga:(i) primeiro, por deposição de carbono induzida por feixe de elétrons para preencher o volume entre os NWs (Fig. 2b), e (ii) posteriormente, com deposição de carbono induzido por feixe de gálio para criar um ca. Camada protetora de 1 μm de espessura no topo da área selecionada (Fig. 2c). Marcadores de carbono adicionais foram produzidos para simplificar a orientação durante as seguintes etapas de preparação.

Micrografias SEM mostrando a uma matriz de NW e a área selecionada para a preparação da agulha FIB (caixa branca), b o NW embutido em carbono induzido por feixe de elétrons, c o carbono induzido por feixe de gálio como uma espessa camada de deposição no topo da área selecionada e dois marcadores adicionais, d a agulha isolada pronta para retirada, e , f a agulha de tomografia afinada (setas pretas indicam posições NW), e g uma visão geral da agulha de tomografia final

Após a deposição de carbono, a fresagem FIB foi introduzida para isolar a área protegida (Fig. 2d) e para confeccionar uma agulha de formato retangular que contém vários NWs. Um micro-manipulador (Kleindiek Nanotechnik GmbH) foi empregado para transferir a agulha para o porta-tomografia. Desse modo, o eixo da agulha deve ser cuidadosamente ajustado paralelo ao eixo de rotação do goniômetro para que o mesmo foco seja aplicável para uma grande área de amostra. Além disso, o NW [0001] c - o eixo é perpendicular ao substrato e, portanto, paralelo ao eixo da agulha. Essa relação foi usada para determinar as direções do cristal em relação ao eixo do tomograma. Os padrões de difração de área selecionada (SAD) medidos posteriormente mostraram uma inclinação do NW [0001] c -eixo ao eixo de rotação do tomograma de apenas 2,2 °.

Etapas de afinamento adicionais foram realizadas para isolar um único NW, para arredondar a agulha e para obter, eventualmente, transparência de elétrons (cf. Fig. 2e, f). A Figura 2g mostra a agulha de tomografia final.

Tomografia Eletrônica

A aquisição tomográfica e análise microestrutural foram realizadas com um TEM (JEOL JEM-2100F) operando a 200 kV. O microscópio é equipado com uma unidade de varredura incluindo um detector de campo claro (BF) e de campo escuro anular de alto ângulo (HAADF), bem como um detector de 50 mm ² Detector de raios-X (JEOL EX-24065) para espectroscopia EDX. O modo HAADF de microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM) é escolhido devido ao contraste predominantemente químico [22]. A relação monotônica de intensidade para densidade de massa e espessura do objeto é um pré-requisito para a tomografia eletrônica e é conhecido como “requisito de projeção” [23].

Uma série de 89 micrografias HAADF foi registrada com etapas de 2 ° entre cada medição. Esta série de inclinação que cobre a faixa completa de 180 ° é possibilitada por um suporte de tomografia especial (Modelo 2050 da E.A. Fischione Instruments Inc.) que suporta a geometria preparada da agulha de amostra. Cada micrografia STEM é capturada com resolução de 2048 × 2048 pixels; um tempo de permanência de pixel de 30 μs, ou seja, um tempo de varredura completo de 127 s por imagem; um tamanho de ponto de 0,5 nm; e um ângulo de aceitação de elétrons de 70 a 180 mrad de acordo com o manual do fabricante. As micrografias foram agrupadas (agrupamento 4 × 4 =resolução final de 512 × 512) para melhorar a relação sinal-ruído, bem como a velocidade de computação da reconstrução 3D. Todas as micrografias são alinhadas manualmente umas às outras para que o eixo da agulha seja selecionado como o eixo de rotação para a transformação de Radon. O tomograma é calculado e visualizado por um pacote de software de tomografia (IMOD) [24]. Uma renderização avançada de estruturas 3D é realizada com o software de computação gráfica gratuito e de código aberto Blender (Blender Foundation).

Dentro deste trabalho, dois métodos diferentes são aplicados para visualização. Fatias bidimensionais são extraídas do volume reconstruído em 3D. Essas fatias têm uma espessura final sobre a qual as intensidades de voxel (pixel 3D) são integradas para melhorar a relação sinal-ruído. A largura de corte ideal é um meio-termo entre redução de ruído e desfoque de contraste devido a uma média das variações de amostra perpendiculares à fatia. Outro método de visualização é a representação de isosuperfície. É utilizado em caso de contraste suficiente entre dois materiais adjacentes. Em geral, a isosuperfície é uma representação 3D da superfície de voxels com intensidade constante. A intensidade intermediária entre dois materiais é escolhida a fim de construir uma isosuperfície reproduzindo a interface dos materiais adjacentes.

Embora as micrografias HAADF sejam usadas como base para o cálculo do tomograma, a distribuição da intensidade reconstruída não se origina apenas da composição química da amostra. Defeitos cristalinos na amostra [25] ou, por outro lado, um desalinhamento das micrografias e distorções das micrografias devido ao desvio da amostra ou distúrbios do campo magnético influenciam as intensidades reconstruídas e, portanto, a resolução final. O mesmo se aplica a erros de reconstrução intrínsecos como artefatos de escavação [26] ou o limite de resolução espacial do tomograma devido ao critério de Crowther [27] (amostragem limitada). Este último deve ser considerado especialmente para agulhas de tomografia espessas de várias centenas de nanômetros. Se o tamanho do objeto a ser reconstruído for aumentado, a resolução do tomograma torna-se pior se o número de micrografias for fixo.

Resultados e discussão

Morfologia de superfície e facetação de cristal

As Figuras 3 aeb mostram as representações de isosuperfície de um NW completo e de um vértice NW em vista em perspectiva (centro) e em várias vistas ao longo de direções de baixo índice em etapas de 30 °. A figura revela a forma externa do cristal e a facetação da superfície, respectivamente. A seção inferior da reconstrução exibe o cilindro hexagonal esperado do NW, com regular não polar \ (\ left \ {1 \ overline {1} 00 \ right \} \) m facetas da superfície do plano. As facetas e planos do cristal são determinados com base no padrão de difração de elétrons correspondente obtido simultaneamente com imagens HAADF. Um exemplo de tal padrão SAD é dado para a orientação - 90 °, isto é, ao longo do eixo da zona [\ (1 \ overline {1} 00 \ Big] \) (cf. Fig. 3b). O topo NW reflete uma forma piramidal que consiste em \ (\ left \ {1 \ overline {1} 01 \ right \} \) s -plane e \ (\ left \ {1 \ overline {1} 02 \ right \} \) r facetas de plano, que, no entanto, não estão perfeitamente simetricamente posicionadas entre si. Uma faceta de superfície em forma triangular muito pequena (marcada por setas verdes na Fig. 3b) está situada perto da ponta NW, que provavelmente representa um \ (\ left \ {2 \ overline {2} 01 \ right \} \) -tipo faceta. Essas ligeiras assimetrias na forma da ponta piramidal são freqüentemente encontradas na amostra (cf. Fig. 1). A razão para esse desvio está associada às interações de defeitos, conforme discutido no próximo parágrafo.

Representação de isosuperfície de a um único NW e b um vértice NW com uma vista em perspectiva no centro e vários ângulos de visão ao longo das direções de baixo índice de GaN (ZA, eixo da zona). Além disso, alguns exemplares m -, s -, e r - as facetas do plano são rotuladas (as setas verdes indicam uma faceta do tipo \ (\ left \ {2 \ overline {2} 01 \ right \} \))

Acima do rotulado r -plano faceta e a faceta \ (\ left \ {2 \ overline {2} 01 \ right \} \), um “chapéu” NW irregular é formado no topo. Medições de TEM de alta resolução (HR) em uma amostra de TEM lamela contendo vários NWs do mesmo wafer demonstram a presença de falhas de empilhamento e a mudança da estrutura cristalina de hexagonal para cúbica na região superior NW (não mostrado aqui). Essas mudanças estruturais estão de acordo com nossas observações anteriores, que são explicadas pela instabilidade da fase do cristal devido à temperatura de crescimento significativamente mais baixa usada para o crescimento da camada externa de GaN (ca. 625 ° C) em comparação com o núcleo de GaN (ca . 850 ° C) [5, 7].

Estrutura da casca interna (In, Ga) N

O tomograma do NW foi usado para extrair informações sobre a estrutura interna da casca (In, Ga) N, sua composição química e distribuição espacial. Uma representação de isosuperfície 3D da estrutura da casca não pode ser facilmente acessada devido ao baixo contraste de voxel entre a casca (In, Ga) N e o material da matriz de GaN. Portanto, como alternativa, a estrutura da casca interna é visualizada pela extração de fatias finas cortadas do tomograma 3D reconstruído.

A Figura 4 mostra um exemplo de cinco cortes transversais através da ponta NW e ao longo do eixo do fio [0001]. Cada fatia tem uma espessura de cerca de 7 nm. A orientação das fatias foi selecionada de forma que a simetria hexagonal sêxtupla seja levada em consideração. Conseqüentemente, as fatias são giradas 30 ° entre si - em correspondência com a marcação apresentada na Fig. 3b. Para ilustrar ainda mais este ponto, uma imagem 3D renderizada do NW juntamente com a posição espacial da fatia que está - 60 ° inclinada (ou seja, a fatia paralela ao \ (\ left (\ overline {2} 110 \ right) \ ) plano de rede) é fornecido adicionalmente na figura.

Cortes transversais através do tomograma. Uma representação 3D renderizada de NW e uma fatia (canto superior esquerdo) especifica a posição espacial da fatia inclinada em 60 °. Todas as fatias são giradas em torno de um eixo que atravessa a ponta NW e que é paralelo ao eixo de crescimento [0001] NW. Um domínio de inversão (ID) e a localização de falhas de empilhamento (SF) são rotulados. As orientações das fatias correspondem à marcação da Fig. 3. O comprimento da barra de escala preta corresponde a 50 nm

Os voxels reconstruídos de (In, Ga) N têm intensidades ligeiramente maiores em comparação com os de GaN. Consequentemente, referindo-se ao código de cores da Fig. 4, GaN é apresentado em verde enquanto camadas contendo In aparecem avermelhadas para esclarecimento. As fatias transversais demonstram a estrutura do núcleo-casca do NW. Devido à redução na temperatura de crescimento para o supercrescimento de (In, Ga) N, é razoável supor que a morfologia do núcleo de GaN permanece inalterada e o crescimento de (In, Ga) N prossegue de maneira conformada. Assim, a camada interna de (In, Ga) N, bem como a camada externa de GaN, reproduz aproximadamente a morfologia do núcleo de GaN NW. Especificamente, a camada (In, Ga) N forma um m- completo concha plana em torno do fio transformando-se em s - e r - conchas piramidais facetadas planas na ponta do NW. A ponta da casca interna é expandida formando uma configuração chamada (In, Ga) N DIW com a forma de uma pirâmide truncada inversa com base hexagonal composta por c -plano facetas como limites superior e inferior (consulte o próximo parágrafo).

Além disso, a Fig. 4 apresenta uma visão geral das várias (In, Ga) N espessuras de camada. O m - a concha do plano tem apenas 1 nm de espessura (de acordo com as micrografias HAADF STEM ao longo da direção \ (\ left \ langle 11 \ overline {2} 0 \ right \ rangle \), cf. Arquivo adicional 1:Figura S1) enquanto s - e r - as facetas do plano têm espessuras que variam de 8 a 14 nm. Esta diferença de espessura é uma consequência das taxas de crescimento heterogêneas [28, 29] das diferentes facetas e do efeito de sombra induzido pela baixa difusão do índio durante o crescimento do MBE [30]. Além disso, os átomos de índio não estão homogeneamente distribuídos ao longo da estrutura da casca, porque a taxa de incorporação de índio depende da orientação da faceta com o maior valor em c camadas de plano [31]. Além disso, parece que em algumas áreas do shell, a concentração é maior perto das interfaces. Deve-se mencionar que o m -plano concha é apenas mal resolvido na reconstrução. O eixo de rotação da transformação Radon foi escolhido para penetrar na ponta NW para atingir a melhor resolução tomográfica no centro do NW de acordo com o critério de Crowther.

O corte orientado - 60 ° mostra uma faixa de alta intensidade com uma largura de 10 nm. Esta faixa também era visível como contraste brilhante nas imagens HAADF da série de inclinação. Campo escuro g ₀₀₀₂ medições indicam a presença de limites de domínio de inversão que está de acordo com a observação de estruturas semelhantes por Kong et al. [32]. Verificou-se que o domínio de inversão foi induzido por uma camada atômica não intencional de titânio (resíduos da máscara) sendo localizada entre o substrato e NW. A tomografia eletrônica deste domínio de inversão revela a forma de um cilindro elíptico, como será demonstrado a seguir.

Uma série de cortes em planta através do tomograma perpendicular ao eixo NW foram feitos além das seções transversais, a fim de obter uma imaginação 3D completa da estrutura da casca. Nove fatias em diferentes alturas são mostradas na Fig. 5 juntamente com uma representação da posição espacial da primeira fatia, juntamente com uma seção transversal que representa as diferentes posições de altura. Todas as fatias de visualização em planta têm largura de 3,6 nm.

Fatias de visualização plana através do tomograma. Uma representação 3D renderizada do NW e uma fatia (canto superior esquerdo) especificam a posição espacial da fatia 1. Todas as fatias são perpendiculares à direção [0001] e as diferentes posições das fatias são rotuladas na seção transversal (canto inferior direito ) As fatias têm largura de 3,6 nm. O comprimento da barra de escala branca corresponde a 50 nm

A consideração da Fig. 5 oferece dois novos insights sobre a estrutura interna NW, que não era acessível experimentalmente sem a tomografia eletrônica. Em primeiro lugar, é diretamente evidente que o diâmetro NW e, portanto, a área da fatia da vista plana diminui de baixo para cima, que é o resultado da forma de lápis do NW. No entanto, é digno de nota que a parede lateral próxima ao domínio de inversão cilíndrica elíptica permanece em sua posição e muda sua dimensão mais lentamente do que as outras paredes laterais. Uma comparação com a representação da isosuperfície (cf. Fig. 3) mostra que esta parede lateral corresponde ao escudo GaN externo com o muito alongado m -plano faceta que se transforma em uma faceta triangular, \ (\ left \ {2 \ overline {2} 01 \ right \} \) - como faceta (seta verde na Fig. 3). Portanto, pode-se concluir que a presença do domínio de inversão afeta a cinética de crescimento geral, resultando em um pinning da parede lateral localizada mais próxima. Consequentemente, o centro da ponta NW é deslocado em direção ao domínio de inversão, e as facetas opostas devem girar em alturas inferiores de m -avião para s - e r - facetas do plano para formar a ponta NW deslocada.

Em segundo lugar, o shell (In, Ga) N nem sempre é paralelo ao m -, r -, ou s -plano facetado GaN lateral. Na parte inferior do NW, a casca (In, Ga) N reproduz um a um a forma do núcleo de GaN com m facetas do plano, assim como a camada externa de GaN. Por outro lado, na ponta piramidal do NW, a camada interna (In, Ga) N se desvia da forma hexagonal da camada externa de GaN. Por exemplo, a fatia 4 na Fig. 5 mostra que a faceta externa de GaN e a casca (In, Ga) N têm facetas que são giradas em 30 ° para a orientação esperada com base em razões de simetria. Estas facetas correspondem a facetas semipolares \ (\ left \ {11 \ overline {2} l \ right \} \). Em relação às fatias 1 e 2, a casca (In, Ga) N retorna a uma forma hexagonal em direção à ponta com duas das seis facetas apenas ligeiramente pronunciadas. Este desvio da forma hexagonal é inesperado e só pode ser revelado por tomografia eletrônica. É notável que a camada externa de GaN não replique totalmente a forma da camada interna (In, Ga) N, em vez disso, a forma NW muda para a simetria hexagonal esperada de um GaN NW.

Estrutura Dot-in-a-Wire

Conforme mostrado anteriormente nas Figs. 4 e 5, uma inserção de conteúdo aumentado de índio está localizada na ponta da casca (In, Ga) N. Uma visão mais detalhada dessa estrutura DIW é mostrada na Fig. 6. A figura apresenta versões ampliadas tanto da visão plana quanto dos cortes transversais da reconstrução tomográfica. Além disso, ele mostra uma representação de isosuperfície da forma 3D do ponto, bem como a distribuição de índio medida por EDX. A análise de EDX é realizada a partir do ápice de um NW semelhante da mesma bolacha.

Magnificado a plan-view e b , c cortes tomográficos em corte transversal das Figs. 4 e 5 revelando a morfologia da estrutura dot-in-a-wire. d Representação de isosuperfície 3D do ponto (In, Ga) N. As medições de EDX em uma ponta NW semelhante são apresentadas na forma de e um mapa EDX mostrando a distribuição espacial do índio e f um espectro de EDX extraído do mapa em três regiões diferentes:(I) no ponto (In, Ga) N, (II) na camada (In, Ga) N e (III) na camada externa de GaN

As três fatias na Fig. 6a-c revelam a forma e as dimensões do ponto. Com base na fatia da vista plana em (a), o ponto quase exibe a geometria de um paralelogramo em vez de um hexágono com duas paredes laterais menos pronunciadas. Os comprimentos dos dois pares maiores de paredes laterais são de 32 nm e 24 nm, respectivamente. A altura do ponto - conforme dada pelas duas fatias transversais em (b) e (c) - é de cerca de 14 nm. Além disso, as fatias transversais revelam um alargamento lateral do ponto em direção ao topo que é acompanhado por uma formação de r - e s - facetas laterais do plano em que a parte inferior e a superior formam c -plano facetas. Desse modo, a estrutura de pontos se assemelha a uma pirâmide truncada inversa com uma base hexagonal distorcida. Esta forma 3D do nanoponto é ainda ilustrada pela representação de isosuperfície na Fig. 6d, que confirma a forma facetada do ponto e, adicionalmente, demonstra que o c inferior - a faceta do plano exibe uma rugosidade maior.

As Figuras 6e e f revelam o resultado da medição de EDX por meio de um mapa de índio em combinação com espectros tirados de posições dentro do (In, Ga) ponto N (I) e casca (II), bem como na casca externa de GaN (III). Sem intensidade do In- Lα ₁ linha é detectada na região GaN (III). Por outro lado, existe uma enorme diferença na intensidade da linha entre a casca e o ponto, verificando a enorme diferença na concentração de índio [7]. O conteúdo de índio do ponto é aproximadamente estimado em (24 ± 6)% (consulte o arquivo adicional 1:Figura S2 para mais detalhes). O mapa EDX, portanto, permite uma separação espacial clara entre a (In, Ga) N-shell e o ponto, comprovando ao mesmo tempo sua forma facetada. Além disso, o mapa de EDX demonstra que os voxels de alta intensidade no tomograma muito próximos à ponta NW não são decorrentes da incorporação de índio. Este aumento na intensidade pode ser atribuído ao contraste HAADF decorrente de falhas de empilhamento na região perturbada do “chapéu” [25]. Além disso, a ponta tem uma espessura muito menor em comparação com as outras partes do NW levando a uma supervalorização da densidade de massa da região da ponta [26].

A representação 3D da isosuperfície do ponto (In, Ga) N revela uma rugosidade química significativa da interface inferior em comparação com o c suave interface de plano no topo (cf. Fig. 6d). A origem desta rugosidade pode ser ligada ao mecanismo de nucleação de (In, Ga) N no vértice multifacetado do núcleo de GaN NW. Enquanto o (In, Ga) N cresce em m -, r -, e s -planos ocorre em um modo 2D devido à pequena concentração de índio, o conteúdo de índio muito mais alto (In, Ga) N em c -plano resulta no crescimento de núcleos 3D tensos. Esses núcleos geram tensões em seu entorno que deformam a interface e, por fim, levam à aspereza medida.

Conclusões

Um NW (In, Ga) N / GaN core-shell foi investigado por tomografia eletrônica. A representação da isosuperfície, bem como os cortes tomográficos, permitiram a determinação da facetação da camada externa de GaN e da camada interna de (In, Ga) N. Foi demonstrado que a simetria do NW é perturbada pela presença de um domínio de inversão cilíndrico. Especialmente, um desvio da simetria hexagonal esperada da camada interna (In, Ga) N foi esclarecido, o que só poderia ser resolvido por tomografia eletrônica. Além disso, as diferenças da espessura da casca de (In, Ga) N e a incorporação de índio das várias facetas foram analisadas. Além disso, a morfologia da estrutura (In, Ga) N DIW foi caracterizada em detalhes. Verificou-se que o ponto é facetado e contém um teor de índio significativamente mais alto em comparação com a casca. Um mapa EDX complementar foi usado para confirmar as intensidades do voxel do tomograma, que foram influenciadas, por exemplo, por falhas de empilhamento formadas na ponta NW que podem ser devido ao crescimento a baixa temperatura da camada externa de GaN.

A análise da tomografia fornece uma figura completa da complexa estrutura núcleo-concha do NW investigado. O núcleo de GaN tem uma forma hexagonal incluindo uma ponta piramidal com ligeiros desvios devido à influência de um domínio de inversão, e a casca (In, Ga) N replica um a um a forma do núcleo. Inesperadamente, a camada externa de GaN não reproduz a forma da camada interna (In, Ga) N e do núcleo de GaN; em vez disso, ele é transformado na forma esperada com base na simetria hexagonal. Os resultados demonstram que a tomografia eletrônica permite insights sobre a evolução da formação da estrutura núcleo-casca durante o crescimento.

Investigações futuras neste campo apontam para o problema da estabilidade da liga e flutuações potenciais da liga na escala nanométrica e sua distribuição espacial, porque afetam fortemente as características de emissão e propriedades ópticas. Portanto, nossa tentativa pode ser melhorar a resolução espacial e a sensibilidade química de nossa reconstrução 3D da estrutura (In, Ga) N DIW para ser capaz de detectar a não homogeneidade e os nanoclusters da liga de índio.

Disponibilidade de dados e materiais

Os conjuntos de dados usados e analisados durante o estudo atual estão disponíveis junto ao autor correspondente, mediante solicitação razoável.

Abreviações

(S) TEM:: (Varredura) microscópio eletrônico de transmissão
BF:: Campo brilhante
DIW:: Dot-in-a-wire
EDX:: Raio-x de dispersão de energia
FIB:: Feixe de íons focado
HAADF:: Campo escuro anular de alto ângulo
ID:: Domínio de inversão
MBE:: Epitaxia de feixe molecular
NW:: Nanowire
PAMBE:: MBE assistido por plasma
QD:: Ponto quântico
SAD:: Difração de área selecionada
SAG:: Crescimento de área seletiva
SEM:: Microscopia eletrônica de varredura
SF:: Falhas de empilhamento
ZA:: Eixo de zona

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