p (Phys.org) - Nanofios semicondutores (NWs) são incrivelmente pequenos:NWs de um lote recente feito por cientistas da Divisão de Eletrônica Quântica e Fotônica da PML medem cerca de 200 nanômetros de diâmetro (menos de 1/500 da espessura de um cabelo humano) e 6 a 10 micrômetros de comprimento, com camadas embutidas tão finas quanto 3,3 nm. Mas apesar de seu tamanho, NWs de semicondutores estão posicionados para desempenhar um papel muito grande na iluminação de estado sólido, sensores químicos, e sondas científicas em nanoescala. p Primeiro, Contudo, os pesquisadores precisarão determinar como fabricar diodos emissores de luz NW de alta eficiência (LEDs) que sejam uniformes de forma confiável em composição e morfologia, cada um com o mesmo espectro de emissão óptica e outras propriedades críticas. E essa, por sua vez, exigirá uma compreensão detalhada de como alcançar o posicionamento e localização ideais de diferentes espécies atômicas à medida que o fio e suas várias camadas são formados.

p Agora, Norman Sanford e colegas do Grupo de Fabricação Optoeletrônica, com colaboradores da Colorado School of Mines, fizeram um grande progresso em direção a esse objetivo em um novo estudo. Eles usaram o método de epitaxia de feixe molecular (MBE) de assinatura do grupo para cultivar nanofios de GaN com camadas finas de InGaN incorporadas em intervalos. Para usar tal NW como fonte de luz, uma tensão é aplicada ao fio, e as seções InGaN formam poços quânticos que prendem pares elétron-buraco que se recombinam para produzir luminescência.

p "O poço quântico torna este processo de recombinação-luminescência muito mais eficiente do que se você tivesse um simples, junção p-n abrupta em GaN, "Sanford diz." No entanto, a fim de ser uma fonte eficiente de luminescência dentro de uma banda estreita de comprimento de onda, o poço quântico deve permanecer compacto e uniforme. Se o índio se difundir nas regiões vizinhas, o poço se espalha, e não funcionará de forma eficiente. Diferentes porções espaciais com diferentes concentrações de índio terão diferentes bandgaps e, portanto, tendem a emitir luz em diferentes comprimentos de onda. Queríamos investigar quais fatores afetam se um poço permanece localizado ou é disperso conforme a estrutura cresce. "

p As condições ideais de crescimento para os segmentos separados de GaN e InGaN podem ser diferentes. Assim, os pesquisadores fabricaram diferentes NWs em uma gama de temperaturas e propriedades de feixe molecular, e então examinou o efeito que essas condições tiveram sobre os poços. Para fazer isso, eles usaram uma versão de uma técnica chamada tomografia de sonda atômica assistida por laser (L-APT). Em uma câmara de ultra-alto vácuo a cerca de 54 K, uma alta tensão constante é aplicada a um NW. Ao mesmo tempo, a energia de um laser ultravioleta pulsado é direcionada para a ponta extrema do fio. Os átomos na ponta se ionizam, são puxados da ponta sob o alto campo elétrico, e viajar para um detector de íons bidimensional a cerca de 90 mm de distância.

p O detector registra a localização de cada íon que chega; então, usando os pulsos de laser como sinais de tempo, os pesquisadores podem determinar o tempo de voo de cada íon - e, portanto, sua razão carga / massa. Os eventos de impacto de íons no detector são mapeados de volta à sua origem a partir da ponta da amostra, e os dados acumulados são usados ​​para construir uma imagem tridimensional da composição química de cada parte do fio.

p O grupo descobriu que as condições de formação do fio tiveram um efeito muito significativo na localização das camadas InGaN. "É possível induzir a difusão e dispersão das camadas InGaN se as condições de crescimento das camadas GaN subsequentes não forem ajustadas corretamente para garantir que as regiões InGaN permaneçam intactas, "Sanford diz." Em alguns casos, descobrimos que a consolidação das camadas InGaN pode ser destruída durante o crescimento subsequente de um segmento GaN - mesmo sem quaisquer sinais externos óbvios disso revelados nos nanofios. Além disso, os poços quânticos InGaN que permanecem localizados são encontrados na forma de finas conchas cônicas InGaN embutidas nos nanofios de GaN (e axialmente concêntricas com eles) em vez de estruturas semelhantes a discos planos.

p "L-APT é particularmente adequado para mostrar uma renderização 3D dos poços quânticos InGaN e a distribuição de índio em todo o dispositivo de nanofio. Até onde sabemos, esta é a primeira vez que o L-APT foi usado para examinar o impacto das variações do processo de crescimento no estudo dessas estruturas. "Os resultados estavam de acordo com as medições NW feitas por outra técnica de revelação de composição, microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução.

p Os cientistas também descobriram que variar certos parâmetros de L-APT, como a energia do pulso do laser, pode causar medições espúrias da razão aparente de gálio e índio para nitrogênio, indicando uma superabundância aparente (mas não física) dos constituintes do metal em comparação com o nitrogênio. Este fenômeno, os pesquisadores especulam, pode resultar de altas energias de pulso de laser, fazendo com que átomos de nitrogênio neutro sejam dessorvidos do NW. Esses átomos não seriam contados pelo detector de íons.

p Não surpreendentemente, é incomumente difícil manipular nanofios individuais dessas dimensões. Para a análise L-APT, uma sonda manipuladora de tungstênio foi "soldada" com platina a um único fio. Em seguida, o fio foi colocado em um orifício perfurado no pino de amostra e soldado. a sonda do manipulador foi desligada, deixando o NW em pé verticalmente no poste e pronto para a análise L-APT.

p "Provavelmente, o maior desafio é chegar a um esquema de montagem confiável para que as amostras sobrevivam a todo o processo de análise L-APT sem fraturar catastroficamente, "Sanford diz." Foram necessárias dezenas de tentativas de montagem de amostras para atingir os resultados apresentados. O problema surge porque a intensidade do campo elétrico na ponta da amostra durante a operação é da ordem de 10 V / nm. É um campo elétrico bastante alto, mas tem que ser tão alto para rasgar os íons e aglomerados de íons da ponta da amostra para análise espectral de massa de tempo de vôo subsequente. Ainda estamos trabalhando para melhorar o esquema de montagem de amostra para torná-lo mais confiável e resistente. "

p Mas para agora, "mesmo com a provável ambigüidade no mapeamento da concentração 3D absoluta de nitrogênio, "diz o colega de Sanford Kris Bertness, líder do projeto Semiconductor Metrology for Energy Conversion, "é claro que o mapeamento 3D de gálio e índio resolvido por L-APT tem, pela primeira vez, forneceu informações essenciais para ajudar a orientar o processo de crescimento para essas importantes heteroestruturas em nanoescala GaN / InGaN. "