미량의 갈륨을 도입하여 InP에서 GaP 나노와이어로의 급격한 변환을 제어하는 열역학

초록

광전자 및 전자 응용 분야를 위해 저렴한 비용으로 고품질 III-V 나노와이어를 성장시키는 것은 연구의 장기적인 추구입니다. 그러나 화학기상증착법을 사용하여 III-V 나노와이어를 제어 합성하는 것은 어려운 일이며 이론 지침이 부족합니다. 여기에서는 진공 화학 기상 증착법을 사용하여 고밀도로 넓은 면적에서 InP 및 GaP 나노 와이어의 성장을 보여줍니다. 산화물 형성을 피하고 InP 나노와이어의 결정 순도를 높이려면 높은 성장 온도가 필요하다는 것이 밝혀졌습니다. 소량의 Ga를 반응기에 도입하면 삼원 InGaP 나노와이어 대신 GaP 나노와이어가 형성됩니다. 이 새로운 성장 현상을 설명하기 위해 위상 다이어그램 계산(CALPHAD) 접근 방식 내 열역학 계산이 적용됩니다. 응고 과정의 조성 및 추진력 계산은 GaP 핵형성이 훨씬 더 큰 추진력을 나타내기 때문에 촉매에 있는 Ga의 1at.%만이 나노와이어 형성을 InP에서 GaP로 조정하기에 충분함을 보여줍니다. III-V 나노와이어 성장 연구와 결합된 열역학 연구는 나노와이어 성장을 안내하는 훌륭한 예를 제공합니다.

소개

나노와이어는 변형 완화, 이종 접합 형성 및 결정상 공학에서 이점을 보여 지난 10년 동안 빠르게 발전하고 있습니다[1,2,3,4]. III-V 반도체 나노와이어는 우수한 광학 및 전자 특성 덕분에 두 응용 분야(예:광전지[5], 광검출기[6, 7], 광다이오드[8] 및 전자 장치[9])에서 널리 사용되었습니다. 및 기초 과학 연구 [10]. 상향식 나노와이어 제조를 위해 금속 유기 화학 기상 증착(MOCVD)[11, 12] 및 분자빔 에피택시(MBE)[13] 기술이 고품질 나노와이어 합성에 널리 적용됩니다. 예를 들어, 순수 wurtzite[14]와 Zincblende 쌍정 초격자 InP 나노와이어[15, 16]가 모두 테라헤르츠 검출[17] 및 레이저 응용[18]에 적용되어 입증되었습니다. 그러나 이러한 고품질의 나노와이어는 고비용으로 생산된다. 대신 저렴한 CVD(Chemical Vapor Deposition) 방법을 사용하면 III-V 나노 와이어의 생산 비용을 크게 줄이고 광전기화학 분야와 같은 응용 분야를 확장할 수 있습니다[19]. 더욱이 CVD는 그 타당성 덕분에 성장 탐사에서 장점을 가지고 있습니다[20]. III-P 및 삼원 InGaP 나노와이어는 적절한 밴드갭, 낮은 독성 및 낮은 표면 재결합 속도 덕분에[14] 바이오센서[21], 레이저[22] 및 광촉매[23] 응용 분야에서 잠재력을 보여줍니다. Hui et al. [24] 높은 이동도(~ 350cm² V⁻¹ s⁻¹ ) MOCVD 및 MBE 기술에 의해 성장된 나노와이어에 필적합니다. CVD 방법을 통해 제조된 InP 나노와이어를 사용하여 Zheng et al. [25]는 강유전성 폴리머 사이드 게이트 단일 InP NW 광검출기를 제작했으며, 이 강유전성 재료에 의해 생성된 국부 전기장에 의해 암전류가 크게 억제되는 초고감도 광검출을 보여줍니다. GaP는 밴드 갭이 2.26eV이고 굴절률이 높은 반도체이므로 녹색-황색 영역의 발광 다이오드[26] 및 포토닉스 응용[27]의 좋은 후보입니다. 또한 GaP의 적절한 밴드갭은 광촉매 분야에서도 유용합니다[23, 28]. 그러나 여전히 GaP와 그 삼원 InGaP 나노와이어의 CVD 성장에 대한 보고는 매우 제한적입니다. GaP 나노와이어는 주로 물리기상증착법을 통해 생산되었다[18, 20, 29, 30]. 삼원 InGaP 나노와이어는 MOCVD[31, 32], MBE[33] 및 용액상 합성 방법[23]에 의해 시연되었다. 금속 시드 GaP 및 InGaP 나노와이어의 성장 기초뿐만 아니라 상세한 성장에 대해서는 더 많은 연구가 필요합니다. 열역학은 나노와이어 성장에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. CALPHAD는 벌크 재료의 상평형과 열역학적 특성을 계산하는 강력하고 잘 확립된 방법입니다[34]. 이 반경험적 열역학적 계산 방법은 핵 생성 동안 열역학적 특성을 계산하여 나노와이어 성장을 유도할 수 있습니다. CALPHAD 방법은 In-Sb 시스템의 나노상 다이어그램을 계산하고[35], GaAs 및 InAs 나노와이어의 Au 시드 성장[36]과 InGaAs 나노와이어의 조성 분석[37]을 이해하기 위해 적용되었습니다. 그러나 III-V 나노와이어 성장을 유도하기 위해 CALPHAD 방법을 완전히 적용하기 위해서는 아직 해야 할 일이 많이 있습니다. 예를 들어, Au 시드 InGaP 나노와이어의 성장 거동을 설명하기 위한 CALPHAD 분석은 수행되지 않았습니다.

이 연구에서는 InP 분말과 금속 Ga를 전구체로 사용하여 진공 상태의 CVD 반응기에서 고밀도 InP 및 GaP 나노와이어를 성장시킵니다. 이 방법은 넓은 온도 범위에서 나노와이어를 생산하는 데 효과적인 것으로 입증되었습니다. InP 나노와이어 성장을 최적화한 후, 순수한 Ga를 반응기에 도입하여 GaP 나노와이어의 성장을 추가로 조사합니다. 삼원 InGaP 나노와이어를 형성하는 대신에, Ga의 입력 중량 또는 성장 온도와 무관하게 거의 순수한 GaP 나노와이어가 형성된다. 추가 구성 결정 및 열역학 계산은 나노와이어 구성이 동역학 대신 열역학에 의해 제어된다는 것을 보여줍니다. Au 액적에서 Ga의 작은 함량은 관찰된 나노와이어 성장 거동을 잘 설명하는 InP에서 GaP로 나노와이어 성장을 조정할 수 있습니다. 이 연구는 III-V 나노와이어 성장을 위한 저렴하고 효과적인 방법을 제공하며, 적용된 위상 다이어그램 분석 방법은 III-V 나노와이어 성장을 이해하는 데 가치가 있습니다.

방법

InP 및 GaP 나노와이어 준비

InP 및 GaP 나노와이어는 그림 1a와 같이 진공 조건에서 자가 제작 CVD 시스템에서 성장되었습니다. 고순도 Ga(99.999%, Innochem) 및 InP 분말(99.99%, Aladdin)을 고체 자원으로 사용하고 두 개의 분리된 쿼트 튜브로 분리했습니다. 석영관의 내경은 8mm이고 길이는 180mm입니다. 약 2nm 두께의 Au 필름이 전자빔 증발을 사용하여 Si(111) 기판에 증착되었습니다. 이 석영 튜브는 Au 증착된 Si(111) 기판과 함께 다른 대형 석영 튜브(그림 1a 참조) 내부에 로드되고 진공 밀봉 기계(Partulab MRVS-1002)로 밀봉됩니다. 전체 튜브의 압력은 ~ 3.0 × 10^–3 입니다. Pa. 그런 다음, 샘플 성장은 2-온도 구역 노에서 수행되었습니다. 첫 번째 구역의 온도와 InP 분말 무게는 각각 720°C 및 20mg에서 모든 샘플에 대해 일정하게 유지되었습니다. InP 나노와이어 성장을 위해 Ga 분말이 도입되지 않았고 두 번째 성장 온도 영역은 400~550°C로 다양했습니다. InP 나노와이어 성장 최적화 후 Ga 전력(0–5 mg)을 추가하여 520~630°C의 온도 범위에서 InGaP 나노와이어를 성장시켰습니다. 온도 의존적 성장 동안 Ga 무게는 3mg로 고정되었습니다. 온도 영역을 목표 온도까지 올리고 60분 동안 온도를 유지한 다음 식힙니다.

<사진>

InP 나노와이어의 성장 연구. 아 InP 및 GaP 나노와이어 성장에 대한 실험 설정의 개략도. b에서 성장한 InP 나노와이어의 SEM 이미지 400°C, c 450°C, d 480°C, e 520°C 및 f 550°C 지 다양한 온도에서 제조된 나노와이어의 직경 분포. 아 라만과 i 다른 온도에서 성장한 나노와이어의 PL 비교

나노와이어 특성

성장 후 나노와이어의 형태와 구조는 주사전자현미경(SEM)과 투과전자현미경(TEM)으로 300kV에서 조사했다(Titan G2 60-300). 성장한 나노와이어의 결정 구조는 X선 회절(MiniFle × 600)로 조사하였다. 상세한 조성 측정을 위해 SEM과 TEM이 모두 장착된 EDS(Energy-Dispersive Spectrum)를 적용하였다. Thermo-Calc 소프트웨어를 사용하여 열역학적 계산을 수행했습니다. InP 및 GaP 나노와이어의 광학 특성은 상용 Renishaw 시스템(inVia)에서 마이크로 라만 및 광발광(PL)으로 조사되었습니다. 간단히 말해서, 나노와이어는 녹색 레이저(532nm)를 통해 대물 렌즈(100 ×)를 통해 펌핑되었습니다.

결과 및 토론

InP 나노와이어

성장 후, 400–520°C의 조사된 모든 성장 온도 범위에 대해 광학 현미경으로 고밀도 InP 나노와이어를 관찰할 수 있었습니다. 그림 1b–g의 자세한 형태 특성은 CVD에 의해 성장된 다른 나노와이어와 유사한 Si(111) 기판에 수직이 아닌 무작위로 분포된 InP 나노와이어를 보여줍니다[20]. 일반적으로 모든 나노와이어의 길이는 거의 테이퍼가 없는 형태로 10μm 이상이며, 이는 MBE[38] 또는 MOCVD[39]에 의한 III-V 나노와이어 성장률보다 훨씬 깁니다. 삽입된 확대 SEM 이미지는 단일 나노와이어의 형태를 보여줍니다. Au 방울은 성장 전면에서 관찰되며, 이는 InP 나노와이어 성장이 잘 알려진 VLS(기상-액체-고체) 성장 메커니즘에 의해 제어됨을 나타냅니다. 기판에서 관찰되었습니다(그림 1의 삽입 참조). 형태 변화에도 불구하고 성장 온도가 나노와이어 직경에 영향을 미치는 것으로 보입니다. 낮은 성장 온도(400°C)에서 나노와이어는 평균 직경이 121nm로 비교적 얇습니다. 성장 온도가 증가함에 따라 나노와이어 직경은 단조롭게 증가하지만 더 무질서하게 분포한다. 예를 들어, 550°C에서 직경이 210~290nm인 나노와이어가 관찰되며 실리콘 기판에 나노와이어의 분포가 균일하지 않습니다.

라만 산란 및 PL 기술은 그림 1h와 비교하여 성장한 InP 나노와이어의 결정 품질과 광학 특성을 빠르게 테스트하는 데 사용되었습니다. ~ 302cm⁻¹ 에서 두 개의 피크 및 341cm⁻¹ InP[40]의 종방향 광학(LO) 및 횡단 광학(TO) 포논 모드에 해당하는 모든 샘플에 대해 관찰됩니다. 이것은 제조된 모든 나노와이어가 실제로 InP임을 시사한다. 그러나 그림 1i의 해당 PL 데이터는 상당히 혼란스럽습니다. 400~480°C 사이에서 성장한 나노와이어의 경우 PL 스펙트럼은 ~ 775nm~811nm 범위에서 강력하고 넓은 방출 피크를 보여줍니다. 방출된 광자 에너지는 wurtzite(WZ)(872nm) 또는 Zincblende(ZB)(922nm) InP 나노와이어의 밴드갭보다 훨씬 크며, 이는 방출이 순수한 InP에서 비롯되지 않음을 시사합니다. 약 886nm의 오목한 부분은 광학 시스템의 시스템 버그로 인해 발생합니다. 온도가 520°C 이상일 때 900nm 부근에서 강한 방출 피크가 관찰되는데, 이는 다결정 InP 나노와이어의 방출로 인한 것입니다[40]. 이러한 연구에 따르면 InP 나노와이어의 최적 성장 온도는 ~ 520°C이며, 이는 높은 광학 품질을 가진 InP 나노와이어의 균일한 분포로 이어집니다.

관찰된 PL 스펙트럼의 차이를 명확히 하기 위해 480 및 520°C에서 성장한 샘플에 대한 X선 광전자 분광법(XPS) 테스트를 그림 2와 동일한 테스트 조건에서 수행했습니다. 두 샘플 모두 XPS 스펙트럼에서 특징적인 피크를 보여줍니다. In-3d에서 및 P-2p . 또한, O-1s 및 C-1s - 관련 피크도 기록되었습니다. In-3d의 느린 스캔 결과 480°C에서 성장한 샘플의 피크(그림 2c 참조)는 InP, In₂에 기인하는 443.5, 442.3, 444.4eV에서 3개의 피크로 분해될 수 있습니다. O_3, 및 InPO₄ [41, 42], 각각. 상대강도를 기준으로 상기 화합물의 중량비는 각각 31.0%, 48.7% 및 20.3%이다. 강력한 P-2p 132 eV에서 피크(그림 2b 참조)는 InPO₄의 존재를 추가로 확인합니다. . 이에 비해 520°C에서 성장한 샘플의 경우 In-3d의 피크 강도는 , P-2p 및 O-1s , InPO₄를 나타냄 , ₂에서 O₃ , InP에 대한 상대 강도가 향상되는 동안 크게 억제됩니다. 이러한 비교는 더 높은 성장 온도가 산화물 형성을 억제하고 InP의 순도를 증가시킬 수 있음을 보여줍니다. 낮은 성장 온도에서 InP 나노와이어의 산화물 형성은 무시할 수 없으며 PL 방출은 인듐 산화물에 의해 지배되므로 In₂에 의해 야기되는 넓은 방출 피크를 나타냅니다. O₃ 결함 상태 [43, 44]. 대신, 더 높은 성장 온도에서 InP 나노와이어의 순도가 증가하면 InP 반도체의 특성 피크가 발생합니다. 또한 이러한 실험은 성장 조건 자체 외에도 실험 과정에서 밀봉된 튜브에 산소가 유입되지 않도록 주의해야 함을 나타냅니다. 예를 들어, 산소 함량을 피하기 위해 진공은 훨씬 더 높아야 합니다. 또한 밀봉 과정에서 InP 분말은 산화 가능성을 피하기 위해 냉각되어야 합니다.

<그림>

480°C 및 520°C 온도에서 성장한 InP 나노와이어 표면의 XPS 비교 아 조사 스펙트럼, b의 고해상도 XPS 스펙트럼 P-2p , ㄷ In-3d , d O-1s

InP 나노와이어 성장 연구 후, Ga 전력(3mg)을 반응기에 도입하여 삼원 InGaP 나노와이어를 성장시켰습니다. Ga의 추가는 520~630°C의 온도 범위에서 고밀도의 나노와이어 형성을 유도합니다. 기판도 노란색으로 변합니다. 평균 나노와이어 직경은 90에서 253nm로 증가하다가 580°C 후에 다시 감소합니다(그림 3a 참조). 다른 조건에서 성장한 나노와이어의 결정과 조성은 그림 3b와 비교하여 XRD에 의해 먼저 조사됩니다. 사용된 Si(111) 기판은 28.43°에서 단 하나의 주요 피크를 보여줍니다. 550°C에서 성장한 InP 나노와이어의 경우 33.08°, 43.61°, 51.71°, 58.93° 및 63.52°에서 추가 피크가 관찰되며 (200), (220), (311), (222), ( 400) ZB InP [45]의 평면. InGaP 나노와이어의 경우, 조사된 모든 조건(온도 의존성 또는 Ga 무게 의존성)에서 성장한 나노와이어의 XRD 스펙트럼은 거의 동일한 피크 위치에서 매우 유사하며 32.64°, 46.93°, 55.80° 및 58.93°에서 정점을 찍습니다. . 이 피크는 ZB GaP[46]의 (200), (220), (311) 및 (222) 평면을 나타냅니다. InP와 Ga 분말의 투입 중량비는 In_0.44의 공칭 조성을 나타내더라도 Ga_0.56 P, XRD 데이터는 예상되는 삼원 InGaP 나노와이어 대신 GaP 나노와이어의 성공적인 성장을 제안합니다. 이것은 소량의 Ga 분말만이 나노와이어 성장을 InP에서 GaP로 완전히 전환할 수 있기 때문에 매우 흥미롭습니다. 이 현상의 정확한 조사를 위해 우리는 에너지 분산 X선 분광법(EDX) 분석을 위해 이러한 나노와이어를 Si 기판으로 옮깁니다. 3.0mg의 Ga 분말을 사용하여 550°C에서 성장한 나노와이어의 일반적인 SEM 이미지와 해당 EDX 스펙트럼은 그림 3c, d에 나와 있습니다. EDX 스펙트럼은 In의 매우 약한 피크만 있는 Ga 및 P의 지배적인 피크만 보여줍니다. 더욱이, 이 나노와이어에 따른 EDX 분석은 동일한 조성 분포를 보여줍니다. 이 결론은 측정된 모든 나노와이어에 대해 유효합니다. 이러한 EDX 스펙트럼은 성장한 나노와이어가 주로 GaP라는 XRD 결과와 잘 일치합니다.

<그림>

InGaP 나노와이어의 합성 아 내장된 특성 SEM 이미지가 있는 다양한 성장 온도(550–630°C)에서 InGaP 나노와이어의 직경 분포. ㄴ 다른 성장 조건에서 InP(빨간색 곡선) 및 InGaP(파란색 곡선) 나노와이어의 XRD 스펙트럼. Si(111) 기판의 XRD 스펙트럼은 참조용으로 삽입된 부분에 표시됩니다. 검색엔진 마케팅(c ) 및 해당 EDS 스펙트럼(d ) 550°C에서 성장한 InGaP 나노와이어. 갈륨 분말 중량은 3.0mg입니다.

성장의 기본을 추가로 밝히기 위해 InP 및 GaP 나노와이어의 TEM 분석이 수행되었으며 그림 4에 나와 있습니다. 일반적으로 주요 InP 및 GaP 나노와이어는 ZB 구조 [47, 48]와 함께 [111] 방향을 따라 성장하며, 다음과 잘 일치합니다. 위의 XRD 분석. 특히, InP 나노와이어는 MOCVD를 통해 고온에서 성장한 InP TSL 나노와이어와 유사한 쌍정 초격자 구조를 나타냅니다(그림 4a 참조). 주기적인 트윈 평면 거리는 35~21nm 사이에서 약간 변동하며 특히 Au 액적에 가까운 성장 방향을 따라 감소하는 것으로 보입니다. 이에 비해 GaP 나노와이어에서는 고밀도의 평면 결함이 발견된다. Au 액적에 가까운 고해상도 TEM(HRTEM) 이미지(그림 4e, f 참조)는 액적이 주로 AuIn₂으로 구성되어 있음을 보여줍니다. ZB 단계 [49]와 함께. 또한 AuIn₂ 및 GaP 나노와이어는 동일한 결정 방향을 나타냅니다. 따라서 AuIn₂ 상은 응고 과정 동안 GaP 나노와이어 상에 에피택셜 성장된다. InP 나노와이어의 Au 액적은 동일한 밝기 대비를 보여 단일 위상을 나타냅니다. 이에 비해 AuIn₂이 응고된 후 소량의 Au가 풍부한 층이 형성되는 것으로 보인다. 그림 4g의 밝기 대비와 추가 파일 1의 그림 S1에 있는 EDX 매핑을 기반으로 합니다. 그림 4h의 EDX 분석 비교는 GaP 나노와이어의 형성을 확인하고 거의 In 피크가 관찰되지 않습니다. 그러나 인듐은 촉매의 주요 원소입니다. In과 Au 사이의 상대 비율은 InP와 GaP 나노와이어 모두에서 동일합니다. 그림 4e의 HRTEM 분석에 따르면 촉매상은 주로 AuIn₂입니다. . Ga의 도입은 In 함량을 감소시키지 않고 촉매에서 작은 농도의 Ga만 유도합니다. 그러나 Ga의 함량은 액적에서 나노와이어로의 In의 핵생성을 억제할 만큼 충분히 높아서 GaP 나노와이어만을 형성한다. InP 및 GaP 나노와이어의 큰 촉매 모양 차이는 국부적인 표면 장력 차이에 의해 발생합니다[50]. 이러한 EDX 관찰은 촉매에서 훨씬 더 높은 In 함량이 In-rich InGaP 나노와이어의 형성으로 이어지지 않는 이유에 대한 질문을 제기합니다.

<그림>

InP 및 GaP 나노와이어의 구조 및 조성 분석. 아 , b ZB 쌍정 초격자 구조를 보여주는 InP 나노와이어의 HRTEM 이미지. d , e GaP 나노와이어의 TEM 이미지. 에 AuIn₂의 형성을 보여주는 Au 액적의 고속 푸리에 변환 이미지 단계. 동일한 InP(c)의 고각 환형 암시야(HAADF) 이미지 ) 및 격차(g ) 나노와이어. 아 (c에서 점 1–4의 EDX 스펙트럼 , 지 ). EDX 강도는 가시성을 위해 정규화되고 이동됩니다.

이 구성 불일치를 파악하기 위해 두 Au-Ga-In 및 Ga-In-P 열역학 데이터베이스를 결합하여 Au-Ga-In-P 4차 시스템에서 열역학 계산을 수행했습니다[51, 52]. 유사 이진 위상 다이어그램(그림 5a 참조)에 따르면 삼원 InGaP 화합물에 혼화성 갭이 존재하여 InGaP 나노와이어의 조성 조정성을 어렵게 만듭니다. 열 계산 소프트웨어를 사용하여 Au 시드 나노와이어 성장을 시뮬레이션하기 위해 과포화 Au 액적에서 InGaP의 응고를 계산합니다. 실험에 따르면 촉매의 온도와 인듐 조성 범위는 각각 793–873 K 및 50–80 at.%입니다. 액적에 Ga를 첨가하는 동안 계산된 InGaP 구성은 그림 5b에 나와 있습니다. 열역학적으로, 나노와이어 핵형성은 Ga 함량이 1 at.%를 초과할 때 InP에서 GaP로 변경됩니다. InGaP 나노와이어는 Ga 함량이 1at.% 미만인 경우에만 형성될 수 있지만 이 조건은 우리 실험에서 거의 달성할 수 없습니다. 더욱이, 이러한 경향은 촉매의 성장 온도 및 인듐 함량과 거의 무관합니다. 이러한 계산은 다양한 성장 조건에서 GaP 나노와이어의 형성을 잘 설명합니다. 또한 우리 시스템에서 InGaP 나노와이어 성장이 평형 조건에 가깝다는 것을 암시합니다. 추가 추진력(∆μ ) 그림 5c의 분석은 이러한 급격한 구성 변형을 설명합니다. InP를 형성하는 원동력은 Au 액적의 인듐 함량과 성장 온도의 변화에 따라 약간만 변합니다. 대신, 촉매에 소량의 Ga를 첨가하면 구동력의 급격한 변화가 발생합니다. 액적의 갈륨 함량이 인듐보다 10배 이상 적음에도 불구하고 크게 증가된 구동력으로 인해 InP 대신 GaP가 형성됩니다. 이것은 열역학적으로 GaP가 InP보다 훨씬 더 안정적이기 때문입니다. 열역학적 계산에 따르면 InGaP 나노와이어를 성장시키는 것은 어려운 일입니다. 따라서 우리는 성장 조건이 3원 나노와이어를 형성하기 위해 역학 제어 영역으로 푸시되어야 한다고 제안합니다[5]. 또 다른 접근법은 선택적 영역 에피택시 접근법 내에서 InGaP 나노와이어를 성장시키는 것입니다[32]. 그렇지 않으면 Au 촉매를 다른 가능한 금속으로 대체하거나 촉매 없이 나노와이어를 성장시켜야 한다[32]. 우리는 그림 5d에서 자체 시드 InGaP 나노와이어의 상황을 추가로 계산했습니다. InP 나노와이어 형성을 위한 구동력은 Au 액적과 비교할 때 향상됩니다. 그러나 여전히 GaP를 형성하는 추진력은 InP보다 훨씬 커서 이 방법을 통한 InGaP 나노와이어의 자가 촉매 성장은 여전히 조성 제어를 실현하기 어려울 수 있음을 시사합니다.

<그림>

핵 생성 과정의 열역학적 분석. 아 의사 바이너리 InP-GaP 위상 다이어그램. 계산됨(b ) In_{x의 콘텐츠} Ga_0.5-x P_0.5 및 Gibbs 에너지 변화(c ) Au 액적에서 Ga 함량의 함수로 나타납니다. d In-seed 조건에서 InGaP 나노와이어 형성을 위한 조성 및 Gibbs 에너지 분석

위의 실험적 관찰과 CALPHAD 계산은 열역학이 III-V 나노와이어 성장을 결정하는 필수 요소임을 시사합니다. 결과적으로, 특히 나노크기 효과를 포함하는 유효한 열역학 데이터베이스를 구축하고 CALPHAD 접근법의 원리를 사용하면 구성 및 결정 구조를 포함하지만 이에 국한되지 않는 III-V 나노와이어의 성장을 안내하는 핵심 열역학 정보를 제공할 수 있습니다.

결론

결론적으로 우리는 진공 CVD법을 이용하여 InP와 GaP 나노와이어를 대면적 고밀도로 성공적으로 성장시켰다. PL 및 XPS 분석에서 In₂의 형성 확인 O₃ 낮은 성장 온도에서 ~ 775 ~ 811 nm 범위에서 넓은 방출 피크를 보였습니다. 온도를 높이면 산화물 형성을 방지하고 InP 나노와이어의 순도를 높이는 데 도움이 됩니다. 결과적으로, 고온에서 성장한 InP 나노와이어는 실온에서 강한 방출 피크를 갖는 ZB 쌍정 초격자 구조를 형성한다. 또한, 다양한 특성화 기술에 의해 확인된 바와 같이 반응기에 소량의 Ga를 추가하여 InP에서 GaP 나노와이어로의 급격한 전환을 관찰했습니다. 테스트된 모든 성장 온도와 Ga/InP 분말의 비율은 GaP 나노와이어 형성으로 이어집니다. 상세한 EDX 연구는 Au 촉매에서 높은 인듐 함량을 나타내지만 나노와이어에서는 그렇지 않습니다. 4차 열역학 데이터베이스(Au–In–Ga–P)를 결합하여 응고 과정을 계산합니다. 계산에 따르면, Au 촉매의 1 at.% Ga만으로도 GaP에 대한 핵형성 추진력의 급격한 증가로 인해 나노와이어 성장을 InP에서 GaP로 전달하기에 충분합니다. 계산에 따르면 이 현상은 큰 성장 조건 범위와 자체 핵 생성 InGaP 나노와이어 성장에서도 유효하며 관찰된 성장 기본 사항을 잘 설명합니다. 따라서 우리는 CALPHAD 방법을 사용한 열역학적 계산이 III-V 나노와이어 성장을 안내하는 데 도움이 된다고 믿습니다.