Habilite uma redistribuição de tamanho fácil de gotas Ga crescidas em MBE por meio de disparo a laser pulsado in situ

Resumo

Uma superfície de gota de Gálio (Ga) preparada por MBE em substrato de GaAs (001) é irradiada in situ por um único tiro de laser pulsado de UV. Ele demonstra que o disparo a laser pode facilmente reajustar o tamanho da gota de Ga e uma gota de Ga especial de distribuição de tamanho extremamente ampla com largura de 16 a 230 nm e altura de 1 a 42 nm é obtida com sucesso. Devido à inomogeneidade energética através do ponto de laser, a modificação da gota em função da intensidade de irradiação ( IRIT ) podem ser investigados diretamente em uma amostra e os mecanismos correlacionados são esclarecidos. De forma sistemática, o redimensionamento do laser pode ser percebido como:para baixo nível de irradiação, o aquecimento do laser apenas expande as gotículas para fazer fusões entre elas, portanto, neste estágio, a distribuição do tamanho das gotículas é apenas deslocada para o lado grande; para alto nível de irradiação, a irradiação a laser não só causa a expansão térmica, mas também a evaporação térmica do átomo de Ga, que faz com que a mudança de tamanho se mova para ambos os lados. Todas essas mudanças de tamanho em gotículas Ga podem ser fortemente controladas pela aplicação de IRIT de laser diferente que permite uma epitaxia de gotícula mais projetável no futuro.

Introdução

Atualmente, com o crescente desenvolvimento da física fundamental e da aplicação prática, é muito necessário que as pessoas consigam vários dispositivos. Tem sido amplamente demonstrado que vários dispositivos e estruturas podem ser construídos pela aplicação de nanopartículas metálicas [1,2,3,4,5]. Como um importante representante, a epitaxia de gotícula que é baseada em gotículas metálicas (nanopartículas) tem continuamente atraído interesses e esforços de pesquisa em todo o mundo desde que é proposta por Koguchi et al . [6] em 1991 porque pode cobrir quase todos os tipos de nanoestruturas de baixa dimensão, incluindo, mas não se limitando a pontos quânticos [7, 8], anéis quânticos [9,10,11] e fios quânticos [12, 13]. Especialmente recentemente, algumas estruturas muito peculiares de pares de pontos quânticos [14, 15], moléculas de pontos quânticos [16, 17], anéis duplos [18] e múltiplos anéis concêntricos [19, 20] também são realizadas com sucesso por epitaxia de gotícula. Geralmente, a epitaxia de gotícula geralmente combina duas etapas, ou seja, a pré-formação da gotícula metálica e a cristalização subsequente [21, 22]. O controle de tamanho das gotículas durante a etapa de formação das gotículas é um ponto-chave para toda a epitaxia da gotícula, uma vez que não apenas determina o tamanho final da estrutura quântica diretamente, mas também define que tipo de nanoestrutura as gotículas se tornarão. Por exemplo, uma troca rápida entre os pontos quânticos e os anéis quânticos pode ser ativada sensivelmente pelo ajuste do tamanho da gota e os anéis concêntricos múltiplos mencionados acima são exclusivamente construídos em gotas Ga de tamanho consideravelmente grande. Como é bem relatado, a temperatura é o fator mais essencial para ajustar o tamanho das gotas, para aumentar a gota a temperatura deve aumentar [23, 24]. Normalmente, Fuster et al . aumentou a temperatura para até 500 ° C para obter com sucesso uma enorme gota Ga com 45 nm de altura e 240 nm de largura [25]. No entanto, o aumento da temperatura intensificará o ataque das gotículas no substrato drasticamente [26,27,28,29]. Por este tipo de nano-broca, os elementos das gotículas serão consumidos antes da subsequente cristalização e também uma estrutura parasita de nano-furo se desenvolverá abaixo da gotícula, o que pode poluir a estrutura quântica alvo. Zh. M. Wang et al . provou que as gotículas de Ga podem desaparecer totalmente e ser substituídas por nano-buracos semelhantes a vulcões somente após o recozimento a 500 ° C por 80 s sem fornecimento de arsênio (As) [30]. Obviamente, aumentar a temperatura pode destruir as gotículas, mas forçá-las a crescer faz com que as pessoas tenham que fazer isso, é uma contradição irreconciliável na epitaxia tradicional das gotículas. Portanto, é de grande importância encontrar uma tecnologia, com independência de temperatura, para modificar o tamanho das gotas.

Neste artigo, gotículas Ga, com uma morfologia original de densidade:4,1 × 10 ¹⁰ / cm ² , largura:37-65 nm e altura:4-9 nm, foram produzidos em GaAs (001) substrato (Sub) por meio de MBE e, em seguida, imediatamente usamos um laser pulsado de UV para filmar in situ a superfície preparada. Impressionantemente, o disparo a laser comporta-se como uma boa modificação do tamanho das gotas e do princípio envolvido de redimensionamento do LIR também é apresentado sistematicamente. Após a irradiação, a altura e a largura das gotículas aumentam para uma faixa de 1-42 nm e 16-230 nm, respectivamente, ou seja, alcançamos gotas extremamente grandes com largura de até 230 nm e altura de até 42 nm diretamente a uma temperatura muito baixa de 180 ° C. Portanto, uma tecnologia para redimensionar as gotas com segurança e eficiência é relatada aqui. Isso deve contribuir com grande liberdade de controle de tamanho para a epitaxia de gotícula atual e torná-la mais viável e flexível.

Métodos Experimentais

Os experimentos foram realizados em um MBE projetado especialmente equipado com a janela de visualização do laser para introduzir in situ o feixe de laser pulsado na câmara. Atualmente, este sistema protótipo instala apenas três células-fonte de Índio (In), Ga e As. A temperatura de crescimento é monitorada pelo pirômetro que é calibrado. Para monitorar o crescimento, a difração de elétrons de alta energia por reflexão também é incluída. Primeiro, um Sub de GaAs (001) de 2 polegadas desoxidado foi revestido por uma camada tampão de GaAs de 300 nm a 600 ° C e o BEP de As ₂ é definido como 7,6 × 10 ⁻⁶ Torr. Em seguida, a válvula de As foi totalmente fechada e a temperatura Sub foi ajustada para 400 ° C temporariamente para esperar que os átomos de As em excesso sejam suficientemente capturados pela armadilha fria de nitrogênio líquido e, entretanto, para evitar a absorção de As na superfície. Até que a pressão ambiente As foi reduzida para cerca de 1,2 × 10 ⁻⁹ Torr que é quase igual à melhor pressão ((9,5 ~ 11) × 10 ⁻¹⁰ Torr) que pode ser obtido antes do crescimento para evitar o resíduo As ₂ , a temperatura Sub foi adicionalmente diminuída para 180 ° C para formar as gotículas, respectivamente, com taxa de crescimento de Ga de 0,168 ML / s e espessura de deposição total de 4 MLs. Assim que o crescimento da gotícula de Ga foi concluído, a amostra foi irradiada in situ por apenas um único disparo de monofone de um laser de granada de neodímio ítrio alumínio triplicado (comprimento de onda:355 nm / duração do pulso:10 ns) com uma energia de 35 mJ. Após a irradiação, a amostra foi imediatamente retirada para ser submetida ao ensaio de morfologia de superfície por AFM em modo tapping. Como o ponto de laser (6 mm / diâmetro) é muito menor do que o Sub de 1/4 de 2 polegadas, ambos na região não irradiada ( NIR ) e região irradiada ( IR ) podem ser colocados juntos para comparar. Para o IR , devido ao ponto de laser ter uma distribuição de intensidade de perfil semelhante a gaussiana, a evolução da morfologia da gota em função de IRIT pode ser observado de uma vez nesta amostra. Portanto, na discussão a seguir, cinco locais representativos, definidos como irradiação-1 ( IR1 ) para irradiação-5 ( IR5 ) no IRIT ordem de E _IR1 < E _IR2 < E _IR3 < E _IR4 < E _IR5 , foram selecionados do IR para análise e as posições exatas deles relacionadas ao ponto de laser estão marcadas no desenho superior da Fig. 1. Como é mostrado, a posição de IR5 está correspondendo ao centro do ponto de laser (marcado como posição 0), então nós digitalizamos linearmente para a direita, após cada movimento de 0,5 mm, uma imagem AFM foi tirada (correspondendo a IR4-IR1 em sequência). Por fim, mudamos completamente para fora do local e obtivemos a imagem AFM definida como NIR (isto é, a morfologia original de gotículas de Ga preparadas).

Resultados da morfologia AFM das gotículas em a NIR e b - f IR1-IR5 ; os histogramas correspondentes de distribuição de largura e altura, respectivamente em (g e m) NIR e ( h - l e n - r ) IR1-IR5 ; o desenho superior mostra as posições exatas de NIR e IR1-IR5 relacionado ao ponto de laser

Resultados e discussão

A Figura 1a-f apresenta os resultados da morfologia AFM das gotículas em NIR e IR1-IR5 , respectivamente. (g-l) e (m-r) são os histogramas correspondentes de distribuição de largura e altura. Uma vez que as gotas foram fabricadas em temperatura tão baixa quanto 180 ° C, em NIR (Fig. 1a), a densidade original chega a 4,1 × 10 ¹⁰ / cm ² e a largura e a altura são ambas tipicamente gaussianas distribuídas com modo dominante de 45-55 nm e 4-8 nm (respectivamente mostrado na Fig. 1g, m). Os tamanhos máximo e mínimo correspondem a ~ 65 nm de largura / ~ 9 nm de altura e ~ 37 nm de largura / ~ 4 nm de altura. As gotas em IR1 (Fig. 1b) parece muito com o NIR . Não há mudanças distintas que podem ser distinguidas em comparação com as Fig. 1h e (g) ou (n) e (m). As gotas em IR1 têm o mesmo tamanho máximo e mínimo com o NIR . Enquanto em IR2 (Fig. 1c) e IR3 (Fig. 1d), o tamanho da gota começa a ser modificado pelo disparo do laser. Algumas gotas aumentadas emergem na superfície com a redução da densidade. Especialmente para IR3 , as gotas além da largura máxima anterior (65 nm) representaram uma proporção de 55% (Fig. 1j) e 37% correspondente para a proporção além da altura máxima anterior (Fig. 1p). Ao mesmo tempo, a densidade total foi reduzida para apenas 1/3 da densidade original. No geral, após o redimensionamento do laser, a distribuição do tamanho das gotículas em qualquer um dos IR2 e IR3 é apenas deslocado para o lado grande, ou seja, sem gotículas no lado menor da distribuição original em NIR são observados. No entanto, para as gotas em IR4 e IR5 , as distribuições não apenas mudam para o lado grande, mas também se estendem para o lado pequeno:a Fig. 1e, f exibe os resultados de IR4 e IR5 , com a redução contínua da densidade, é claro ver na Fig. 1k – l e q – r que as distribuições de tamanho de gota são posteriormente deslocadas para o lado grande. Particularmente em IR5 , a gota máxima (largura:230 nm / altura:42 nm) é quase quatro vezes maior que a máxima (largura:65 nm / altura:9 nm) em NIR e um tamanho tão grande não é relatado em nenhum outro lugar em uma temperatura tão baixa. Além disso, algumas pequenas gotas abaixo do tamanho mínimo original também são geradas e algumas delas até são ultra-mini apenas com largura de 16 nm e altura de 1 nm. Assim, a evolução da modificação do laser das gotículas Ga com IRIT é completamente observado e demonstra bem que o disparo do laser pode facilmente redimensionar as gotículas Ga.

Para interpretar os dados experimentais acima, em primeiro lugar, cinco áreas parciais selecionadas de NIR e IR1-IR4 são ampliados e ilustrados na Fig. 2a-e, respectivamente. Em segundo lugar, calculamos adicionalmente o volume equivalente ( EV ) das gotículas Ga em NIR e IR1-IR5 . No cálculo, o perfil da seção da gota Ga é aproximadamente assumido como o modo de cobertura esférica [26], então o volume de cada gota pode ser dado por
$$ {\ text {V}} =\ uppi {\ text {r}} ^ {3} \ left ({2 - 3 \ cos \ uptheta + \ cos ^ {3} \ uptheta} \ right) / 3 \ sin ^ {3} \ uptheta $$ (1)
onde r é o raio da gota e θ é o ângulo de contato, respectivamente, no último os EVs para NIR e IR1-IR5 foram contados somando o volume de todas as gotas na Fig. 1a-f correspondentemente. A Figura 2f mostra o EV normalizado resultados (triângulos) e os dados de densidade normalizados (quadrados) também estão incluídos. Então, toda a evolução do redimensionamento a laser pode ser dividida em três estágios:no primeiro estágio ( NIR-IR1 ):As gotas originais em NIR (Fig. 2a) interstante muito próximo e o entorno de cada gota é claro e plano (veja o desenho) que é esboçado na Fig. 2a ′. Para IR1 (em que é irradiado por uma intensidade bastante baixa), em comparação com o NIR , a distribuição de tamanho, densidade e EV estão quase inalterados, mas uma estrutura emergente de nano-anel é observada circundando as gotículas, que é marcada pelas setas brancas na Fig. 2b. Atribuímos isso à expansão das gotículas induzida pelo aquecimento a laser. Como é mostrado na Fig. 2b ′, após a irradiação, o laser irá aquecer as gotículas para se expandir (a bem conhecida expansão térmica). Considerando que a expansão não é forte o suficiente para fazer coalescência das gotas devido ao intercruzamento limitado. À medida que o calor é dissipado, as gotículas relaxam de volta ao estado de equilíbrio original, mas deixando rastros de expansão que têm a forma de um anel circundando a gotícula relaxada (veja a seta preta). Portanto, nesta fase, o IRIT é muito fraco para redimensionar as gotas; no segundo estágio ( IR2-IR3 ):Na Fig. 2c para IR2 , a evidência experimental da coalescência da gota é observada e apontada com um retângulo pontilhado amarelo. A gota marcada é vizinha de um nano-orifício (seta branca) e é muito maior do que qualquer um dos NIR com o tamanho de 70 nm de largura e 12 nm de altura. Isso pode ser explicado pela coalescência de duas gotas, conforme mostrado na Fig. 2c ′:para uma _gota e B _gota , com o IRIT aumentando, a expansão é aprimorada, o que resulta em mais cross-over entre eles e, em seguida, mais inter-cross provavelmente empurrará A _gota fundindo-se em B _gota aleatoriamente, portanto, deixa um nano-orifício pré-perfurado por uma _gota ao mesmo tempo. Em comparação com IR2 , na Fig. 2d para IR3 , coalescência de três (ver retângulo pontilhado amarelo / Fig. 2d ′) ou ainda mais gotículas são descobertas, o que reflete um efeito mais forte de redimensionamento do laser. Portanto, para IR2 e IR3 , os dados estatísticos de distribuição de tamanho e densidade poderiam ser explicados como resultado da coalescência. Além disso, como é visto na Fig. 2f, ambos de IR2 e IR3 ainda mantém o mesmo EV nível com NIR em contraste com a redução acentuada da densidade. Isso significa que, neste estágio, o disparo a laser apenas redimensiona as gotículas por meio da expansão térmica, sem perda de átomos de Ga. No entanto, na terceira fase de IR4-IR5 :o EV de gotículas começa a diminuir drasticamente. Isso indica que o LIR não só vai expandir as gotículas, mas também acompanhar a evaporação térmica dos átomos de Ga. Uma vez que o IRIT excede a um certo valor, o laser pulsado pode aquecer instantaneamente a gota acima do limite de evaporação de Ga. Portanto, o redimensionamento das gotas neste estágio é co-governado pela coalescência e evaporação. A Figura 2e ′ ilustra a interação:se a coalescência não compensar a perda de Ga por evaporação térmica, o tamanho da gota encolherá (veja a minigota marcada na Fig. 2e) e, caso contrário, aumentará. Especialmente, algumas gotas enormes podem ser produzidas (veja a gota enorme marcada na Fig. 2e) pela coalescência de várias gotas sob certa probabilidade. Então, esse tipo de competição pode explicar bem por que a mudança de tamanho de IR4 e IR5 especialmente se amplia para ambos os lados. Até agora, o redimensionamento das gotas por LIR pulsado in-situ foi bem investigado nas perspectivas de desempenho e princípio. Para tornar o trabalho mais bem organizado, a seguir realizamos outros dois experimentos planejados.

As ampliações do resultado da morfologia AFM, respectivamente, em relação a a NIR e b - e IR1-IR4 e os desenhos correspondentes de dinâmica morfológica para ( a ′) NIR e ( b ′ - e ′) IR1-IR4 , para uma discussão conveniente, as gotas com a propriedade morfológica típica de cada ampliação são cuidadosamente selecionadas e marcadas por retângulos pontilhados amarelos; f Densidade normalizada e resultados de volume equivalente das gotas na Fig. 1a / NIR , Fig. 1b / IR1 , Fig. 1c / IR2 , Fig. 1d / IR3 , Fig. 1e / IR4 e Fig. 1f / IR5

Por um lado, de acordo com o princípio da nossa explicação de coalescência induzida por expansão térmica, além do IRIT , a distância entre gotas, ou seja, a densidade da gota, é o outro parâmetro-chave. Como é mostrado na Fig. 3a, se separarmos duas gotas em uma lacuna maior (de d1 a d2), a coalescência deve ser relativamente inibida resultante do intercruzamento reduzido durante a mesma expansão térmica. Assim, preparamos uma nova amostra de gotículas na temperatura de 280 ° C. Conforme a temperatura aumentou, a densidade de gotículas de NIR (Fig. 3b) diminui rapidamente para 5 × 10 ⁹ / cm ² , quase 1/8 da amostra a 180 ° C e o espaço intermediário entre as gotas foi amplificado de forma eficaz. Após a irradiação, como pode ser visto na Fig. 3c, as gotas ainda têm a mesma densidade ao NIR mas são circundados por anéis adjacentes muito notáveis (veja as setas brancas). Isso reflete que a coalescência é de fato evitada mesmo com forte expansão térmica e, portanto, solidifica ainda mais nossa explicação poderosamente.

a Ilustração gráfica do efeito da inter-distância na coalescência entre duas gotas; Resultados de morfologia de AFM das gotículas cultivadas a 280 ° C b antes e c após a irradiação

Por outro lado, vale ressaltar que os nanofuros (Fig. 4a) observados em nosso trabalho são muito rasos com profundidades de sub-nanômetro (menos de três camadas atômicas) (veja o quadro). De forma impressionante, o efeito de perfuração das gotículas é estritamente suprimido e poderia ser quase negligenciado, o que se beneficia da baixa temperatura Sub. Para apresentar o risco potencial da nano-broca à medida que a temperatura aumenta para as gotas, fabricamos outra amostra a uma temperatura elevada de 350 ° C. Depois que o crescimento terminou, a temperatura Sub não diminuiu imediatamente, mas com uma curta interrupção de apenas 2 minutos antes do resfriamento rápido. A Figura 4b mostra o resultado da morfologia, podemos ver que um sério efeito de perfuração aconteceu e destruiu muito as gotas. E algumas gotas (veja as setas) são completamente erodidas e substituídas por nano-buracos com profundidade de corrosão de vários nanômetros (veja a inserção). Pelo contrário, como é sugerido na Fig. 4c, as gotas preparadas a 180 ° C ainda podem se manter estáveis após uma interrupção de até 15 min.

Resultados da morfologia AFM das gotículas em a IR3 , b as gotas cresceram a 350 ° C seguido por um recozimento de 2 min na mesma temperatura e c as gotículas cresceram a 180 ° C seguido por um recozimento de 15 min na mesma temperatura

Conclusões

Em conclusão, conduzimos uma pesquisa sobre o disparo in situ de MBE nas gotículas Ga a 180 ° C por laser pulsado e demonstramos que o disparo a laser pode ajustar de maneira fácil e eficiente a distribuição do tamanho das gotas. A evolução da morfologia da gota em função de IRIT é cuidadosamente estudado e o mecanismo envolvido também é sistematicamente esclarecido:para baixo nível de irradiação, a distribuição do tamanho das gotículas é apenas deslocada para o lado grande, o que pode ser explicado pelo único efeito de coalescência das gotículas induzida pela expansão térmica do laser das gotículas; Já para alto nível de irradiação, a mudança de tamanho se estenderá especialmente para ambos os lados e isso é resultante de um tipo de competição entre coalescência e evaporação térmica. Portanto, aqui, relatamos uma tecnologia usando irradiação a laser pulsada para redimensionar in situ as gotículas a uma temperatura tão baixa que quase pode impedir que as gotículas caiam no Sub. Aparentemente, nossa tecnologia é compatível com a solução de epitaxia de gotícula comum perfeitamente livre de poluição, oxidação e danos. E o que vale a pena mencionar é, ao atualizar a irradiação de feixe único para irradiação de interferência de feixe múltiplo, que podemos facilmente realizar a modificação padronizada do tamanho da gota para uma epitaxia de gota mais controlada no futuro.

Disponibilidade de dados e materiais

Não aplicável.

Substrato de carbono poroso melhorando o desempenho de detecção de nanopartículas de cobre em relação à glicose Ge N-Channel MOSFETs com ZrO2 Dielectric Alcançando Mobilidade Melhorada

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias