Reconfiguração Rápida de Tamanho de Gotas de Ga Crescidas por MBE Usando Irradiação de Laser UV Pulsado In-Situ

Resumo

Uma superfície de gotas de Gálio (Ga) preparada por MBE em substrato GaAs (001) é irradiada in situ por um único disparo de laser UV pulsado. Demonstra-se que o disparo do laser pode readjustar facilmente o tamanho das gotas de Ga e uma gota especial de Ga com 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 inhomogeneidade energética através do ponto do laser, a modificação da gota como função da intensidade de irradiação (IRIT) pode ser investigada diretamente em uma amostra e os mecanismos correlacionados são esclarecidos. Sistematicamente, o redimensionamento a laser pode ser percebido como: para baixo nível de irradiação, o aquecimento a laser apenas expande as gotas para fazer fusões entre elas, então neste estágio, a distribuição de tamanho das gotas é deslocada apenas para o lado grande; para alto nível de irradiação, a irradiação a laser não apenas causa expansão térmica mas também evaporação térmica de átomos de Ga o que faz o deslocamento de tamanho mover-se para ambos os lados. Todos esses deslocamentos de tamanho em gotas de Ga podem ser fortemente controlados aplicando diferentes IRIT de laser que permite uma epitaxia de gotas mais projetável no futuro.

Introdução

Atualmente, com o desenvolvimento crescente da física fundamental e aplicação prática, há grande demanda para alcançar vários dispositivos. Tem sido amplamente demonstrado que vários dispositivos e estruturas podem ser construídos pela aplicação de nanopartículas metálicas. Como um representante importante, a epitaxia de gotas baseada em gotas metálicas (nanopartículas) atraiu continuamente interesses e esforços de pesquisa mundial desde que foi proposta por Koguchi et al. em 1991 porque pode cobrir quase todos os tipos de nanoestruturas de baixa dimensionalidade, incluindo, mas não limitado a, pontos quânticos, anéis quânticos e fios quânticos. Especialmente recentemente, algumas estruturas muito peculiares de pares de pontos quânticos, moléculas de pontos quânticos, anéis duplos e anéis concêntricos múltiplos também são realizadas com sucesso por epitaxia de gotas. Geralmente, a epitaxia de gotas geralmente combina duas etapas, ou seja, pré-formação de gota metálica e subsequente cristalização. O controle de tamanho das gotas durante a etapa de formação de gotas é um ponto-chave para toda a epitaxia de gotas, pois não apenas determina diretamente o tamanho final da estrutura quântica, mas também define que tipo de nanoestrutura as gotas se tornarão. Por exemplo, uma troca rápida entre pontos quânticos e anéis quânticos pode ser sensivelmente desencadeada pelo ajuste do tamanho da gota e os anéis concêntricos múltiplos mencionados são exclusivamente construídos em gotas de Ga de tamanho consideravelmente enorme. Como bem relatado, a temperatura é o fator mais essencial para ajustar o tamanho das gotas, para aumentar a gota, a temperatura deve aumentar. Tipicamente, Fuster et al. aumentou a temperatura para até 500 °C para obter com sucesso uma enorme gota de Ga com 45 nm de altura e 240 nm de largura. No entanto, o aumento da temperatura intensificará drasticamente a corrosão da gota no substrato. Por esse tipo de nano-perfuração, os elementos das gotas serão consumidos antes da subsequente cristalização e também uma estrutura parasita de nano-buraco se desenvolverá sob a gota, o que pode poluir a estrutura quântica alvo. Zh. M. Wang et al. provou que as gotas de Ga poderiam desaparecer totalmente e ser substituídas por nano-buracos tipo vulcão apenas após recozimento a 500 °C por 80 s sem fornecimento de Arsênio (As). Obviamente, elevar a temperatura pode destruir as gotas, mas para empurrá-las a crescer maior as pessoas têm que fazer isso, é uma contradição irreconciliável na epitaxia de gotas tradicional. Portanto, tem grande significado encontrar uma tecnologia, com independência de temperatura, para modificar o tamanho das gotas.

Neste artigo, gotas de Ga, com morfologia original de densidade: 4,1 × 10¹⁰/cm², largura: 37-65 nm e altura: 4-9 nm, foram produzidas em substrato GaAs (001) (Sub) através de MBE e então imediatamente usamos um laser UV pulsado para irradiar in situ a superfície preparada. Impressionantemente, o disparo do laser comporta uma boa modificação do tamanho das gotas e o princípio envolvido do redimensionamento do LIR é sistematicamente apresentado também. Após irradiação, a altura e largura das gotas ampliam para faixa de 1-42 nm e 16-230 nm, respectivamente, ou seja, conseguimos com sucesso gotas enormes extremas com largura de até 230 nm e altura de até 42 nm diretamente a temperatura muito baixa de 180 °C. Então, uma tecnologia para redimensionar gotas com segurança e eficiência é relatada aqui. Isso deve contribuir com grande liberdade de controle de tamanho para a epitaxia de gotas atual e torná-la mais viável e flexível.

Métodos Experimentais

Os experimentos foram realizados em um MBE especialmente projetado equipado com viewport de laser para introduzir feixe de laser pulsado in situ na câmara. Atualmente, este sistema protótipo instala apenas três células de 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 reflexão de alta energia também é composta. Primeiro, um substrato GaAs (001) de 2 polegadas 1/4 desoxidado foi revestido por uma camada tampão de GaAs de 300 nm a 600 °C e o BEP de As₂ é definido como 7,6 × 10⁻⁶ Torr. Então, a válvula de As foi totalmente fechada e a temperatura do Sub foi definida para 400 °C temporariamente para esperar os átomos de As em excesso serem suficientemente capturados pela armadilha fria de nitrogênio líquido e enquanto isso evitar a absorção de As na superfície. Até que a pressão ambiente de As fosse reduzida para cerca de 1,2 × 10⁻⁹ Torr que é quase a mesma que a melhor pressão ((9,5 ~ 11) × 10⁻¹⁰ Torr) que pode ser obtida antes do crescimento para evitar As₂ residual, a temperatura do Sub foi ainda mais diminuída para 180 °C para formar as gotas respectivamente com taxa de crescimento de Ga de 0,168 ML/s e espessura total de deposição de 4 MLs. Assim que o crescimento de gotas de Ga foi finalizado, a amostra foi irradiada in situ por apenas um único disparo de mono-feixe de um laser de granada de alumínio de ítrio de neodímio triplicado em frequência (comprimento de onda: 355 nm/duração do pulso: 10 ns) com energia de 35 mJ. Após irradiação, a amostra foi imediatamente retirada para teste de morfologia de superfície por AFM em modo tapping. Como o ponto do laser (6 mm/Diâmetro) é muito menor que o Sub de 1/4 2 polegadas, tanto região não irradiada (NIR) quanto região irradiada (IR) podem ser colocadas juntas para comparar. Para o IR, devido ao ponto do laser ter distribuição de intensidade perfilada tipo Gaussiana, a evolução da morfologia da gota como função de IRIT pode ser observada de uma vez nesta amostra. Então na discussão seguinte, cinco localizações representativas, definidas como irradiação-1 (IR1) a irradiação-5 (IR5) na ordem de IRIT de E_IR1 < E_IR2 < E_IR3 < E_IR4 < E_IR5, foram selecionadas do IR para análise e as posições exatas delas relacionadas ao ponto do laser são marcadas no desenho superior da Fig. 1. Como mostrado, a posição de IR5 corresponde ao centro do ponto do laser (marcado como posição 0), então escaneamos linearmente para a direita, após cada movimento de 0,5 mm, uma imagem AFM foi tomada (correspondendo a IR4-IR1 em sequência). Por fim, movemos completamente para fora do ponto e tomamos a imagem AFM definida como NIR (ou seja, a morfologia original de gotas de Ga como preparadas).

Resultados e Discussão

A Figura 1a-f apresenta os resultados de morfologia AFM das gotas em NIR e IR1-IR5, respectivamente. (g-l) e (m-r) são os histogramas correspondentes de distribuição de largura e altura. Como as gotas foram fabricadas a temperatura tão baixa como 180 °C, em NIR (Fig. 1a), a densidade original atinge até 4,1 × 10¹⁰/cm² e a largura e altura são ambas tipicamente distribuídas Gaussianamente com modo dominante de 45-55 nm e 4-8 nm (respectivamente mostrados na Fig. 1g, m). Os tamanhos máximo e mínimo correspondem a ~ 65 nm largura/ ~ 9 nm altura e ~ 37 nm largura/ ~ 4 nm altura. As gotas em IR1 (Fig. 1b) parecem muito semelhantes ao NIR. Não há mudanças distintas que podem ser distinguidas na comparação de 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 ampliadas emergem na superfície com redução da densidade. Especialmente para IR3, as gotas além da largura máxima anterior (65 nm) contabilizaram uma proporção de 55% (Fig. 1j) e correspondentes 37% para a proporção além da altura máxima anterior (Fig. 1p). Ao mesmo tempo, a densidade total reduziu para apenas 1/3 da densidade original. No geral, após o redimensionamento a laser, a distribuição de tamanho das gotas em qualquer um de IR2 e IR3 é deslocada apenas para o lado grande, ou seja, nenhuma gota no lado pequeno da distribuição original em NIR é observada. No entanto, para as gotas em IR4 e IR5, as distribuições não apenas deslocam para o lado grande mas também estendem para o lado pequeno: Fig. 1e, f exibem os resultados de IR4 e IR5, com redução contínua da densidade, é claro ver na Fig. 1k-l e q-r que as distribuições de tamanho das gotas são ainda mais 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 tal tamanho grande não é relatado em outro lugar a temperatura tão baixa. Além disso, algumas gotas pequenas abaixo do tamanho mínimo original também são geradas e algumas delas são ultra-mini apenas com largura de 16 nm e altura de 1 nm. Então, a evolução da modificação a laser das gotas de Ga com IRIT é completamente observada e demonstra bem que o disparo do laser pode redimensionar facilmente as gotas de Ga.

Para interpretar os dados experimentais acima, primeiro, cinco áreas parciais selecionadas de NIR e IR1-IR4 são ampliadas e ilustradas na Fig. 2a-e, respectivamente. Em segundo lugar, calculamos adicionalmente o volume equivalente (EV) das gotas de Ga em NIR e IR1-IR5. No cálculo, o perfil de seção da gota de Ga é aproximadamente assumido como modo de calota esférica, então o volume de cada gota pode ser dado por V = πr³(2 - 3cosθ + cos³θ)/3sin³θ, onde r é o raio da gota e θ é o ângulo de contato, respectivamente, por fim 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 os resultados de EV normalizados (triângulos) e os dados de densidade normalizados (quadrados) também estão incluídos. Então toda a evolução do redimensionamento a laser poderia ser dividida em três estágios: no primeiro estágio (NIR-IR1): As gotas originais em NIR (Fig. 2a) inter-estão muito próximas e o entorno de cada gota é claro e plano (veja o desenho) que é esboçado na Fig. 2a'. Para IR1 (onde é irradiado por intensidade bastante baixa), comparando com NIR, a distribuição de tamanho, densidade e EV são quase inalterados, mas uma estrutura emergente de nano-anel é observada cercando as gotas que é marcada pelas setas brancas na Fig. 2b. Atribuímos isso à expansão das gotas induzida por aquecimento a laser. Como mostrado na Fig. 2b', após a irradiação, o laser aquecerá as gotas para expandir (a bem conhecida expansão térmica). Enquanto a expansão não é forte o suficiente para fazer coalescência das gotas devido ao intercruzamento limitado. Como o calor dissipou, as gotas relaxarão de volta ao estado de equilíbrio original mas deixando as trilhas de expansão que é moldada como um anel cercando a gota relaxada (veja a seta preta). Portanto neste estágio, o IRIT é muito fraco para redimensionar as gotas; no segundo estágio (IR2-IR3): Na Fig. 2c para IR2, a evidência experimental da coalescência de gotas é observada e apontada com retângulo pontilhado amarelo. A gota marcada é vizinha a um nano-buraco (seta branca) e é muito maior que qualquer de NIR com tamanho de 70 nm largura e 12 nm altura. Isso pode ser explicado pela coalescência de duas gotas como mostrado na Fig. 2c': para A_gota e B_gota, com o aumento do IRIT, a expansão é aprimorada o que resulta em mais cruzamento entre eles e então o mais intercruzamento provavelmente empurrará A_gota fundindo em B_gota aleatoriamente deixando assim um nano-buraco pré-perfurado por A_gota ao mesmo tempo. Enquanto comparado com IR2, na Fig. 2d para IR3, coalescência de três (veja retângulo pontilhado amarelo/Fig. 2d') ou até mais gotas são descobertas o que reflete um efeito mais forte de redimensionamento a 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 visto na Fig. 2f, tanto IR2 quanto IR3 ainda mantêm o mesmo nível de EV com NIR em contraste à redução aguda de densidade. Isso significa que neste estágio, o disparo do laser apenas redimensiona as gotas através de expansão térmica sem perda de átomos de Ga. No entanto, no terceiro estágio de IR4-IR5: o EV das gotas começa a diminuir agudamente. Indica que o LIR não apenas expandirá as gotas mas também acompanhando com evaporação térmica de átomos de Ga. Uma vez que o IRIT exceda a um certo valor, o laser pulsado pode instantaneamente aquecer a gota acima do limiar de evaporação de Ga. Então o redimensionamento das gotas neste estágio é co-governado por 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 gota mini marcada na Fig. 2e) e caso contrário, aumentará. Especialmente, algumas gotas enormes podem ser produzidas (veja a gota enorme marcada na Fig. 2e) por coalescência de multi-gotas sob certa probabilidade. Então este tipo de competição pode explicar bem por que o deslocamento de tamanho de IR4 e IR5 especialmente amplia para ambos os lados. Até agora, o redimensionamento das gotas por irradiação pulsada LIR in-situ foi bem investigado nas perspectivas de desempenho e princípio.

Por um lado, de acordo com o princípio de nossa explicação de coalescência induzida por expansão térmica, além do IRIT, a distância inter-gota, ou seja, a densidade de gota, é o outro parâmetro chave. Como mostrado na Fig. 3a, se separarmos duas gotas em um intervalo maior (de d1 para d2), a coalescência deve ser relativamente inibida resultando do intercruzamento reduzido durante a mesma expansão térmica. Portanto, preparamos uma nova amostra de gota a temperatura de 280 °C. Como a temperatura aumentou, a densidade de gota de NIR (Fig. 3b) diminui rapidamente para 5 × 10⁹/cm², quase 1/8 da amostra a 180 °C e o espaço inter-gota foi amplificado efetivamente. Após irradiação, como visto na Fig. 3c, as gotas ainda têm densidade igual ao NIR mas são cercadas por anéis adjacentes muito notáveis (veja setas brancas). Reflete que a coalescência é de fato prevenida mesmo com forte expansão térmica e assim solidifica nossa explicação poderosamente.

Por outro lado, vale apontar que os nano-buracos (Fig. 4a) observados em nosso trabalho são muito rasos com profundidades de sub-nanômetro (menos de três camadas atômicas)(veja o inseto). Então impressionantemente, o efeito de perfuração de gotas é estritamente suprimido e poderia ser quase negligenciado o que beneficia da baixa temperatura do Sub. Para apresentar o risco potencial de nano-perfuração conforme a temperatura aumenta para as gotas, fabricamos outra amostra a alta temperatura de 350 °C. Após o crescimento finalizado, a temperatura do Sub não diminuiu imediatamente mas com uma curta interrupção de apenas 2 min antes do resfriamento rápido. Figura 4b mostra o resultado de morfologia, poderíamos ver um sério efeito de perfuração aconteceu e destruiu as gotas badly. E algumas gotas (veja setas) são até completamente erodidas e substituídas por nano-buracos com profundidade de perfuração de vários nanômetros (veja o inseto). Ao contrário, como sugerido na Fig. 4c, as gotas preparadas a 180 °C ainda podem manter estáveis após uma interrupção de até 15 min.

Conclusões

Em conclusão, conduzimos uma pesquisa sobre disparo in situ de MBE em gotas de Ga a 180 °C por laser pulsado e demonstramos que o disparo a laser pode ajustar fácil e altamente eficientemente a distribuição de tamanho das gotas. A evolução da morfologia da gota como função de IRIT é cuidadosamente estudada e o mecanismo envolvido também é sistematicamente esclarecido: para baixo nível de irradiação, a distribuição de tamanho da gota é deslocada apenas para o lado grande que pode ser explicado pelo único efeito de coalescência de gotas induzida por expansão térmica a laser das gotas; enquanto para alto nível de irradiação, o deslocamento de tamanho se estenderá especialmente para ambos os lados e isso resulta de um tipo de competição entre coalescência e evaporação térmica. Então aqui, relatamos uma tecnologia usando irradiação de laser pulsado para redimensionar in situ as gotas a temperatura tão baixa que pode quase prevenir a corrosão das gotas no Sub. Aparentemente, nossa tecnologia é compatível com a solução comum de epitaxia de gotas lindamente livre de poluição, oxidação e dano. E o que vale mencionar é, ao atualizar a irradiação mono-feixe para irradiação de interferência multi-feixe, que podemos facilmente realizar modificação padronizada do tamanho da gota para uma epitaxia de gotas mais controlada no futuro.