Penggambaran 3D Beresolusi Tinggi Nanowires Core-Shell GaN/(In,Ga)N Berbentuk Pensil melalui Tomografi Elektron
Abstrak
Struktur tiga dimensi nanowires core-shell GaN/(In,Ga)N dengan puncak berbentuk pensil multi-faset dianalisis menggunakan tomografi elektron dengan mode high-angle annular dark-field dalam mikroskop transmisi elektron pemindai. Pertumbuhan area selektif pada template GaN-on-sapphire menggunakan masker terpola dilakukan melalui epitaksi aliran molekular untuk mendapatkan larutan nanowires teratur dan seragam. Hasil rekonstruksi tomografi memungkinkan penetapan rinci morfologi kompleks struktur cakungan (In,Ga)N multi-faset internal serta penyimpangannya dari simetri heksagonal sempurna. Tomogram secara tepat mengidentifikasi konfigurasi dot-in-a-wire di puncak nanowire, termasuk bentuk dan ukuran yang tepat, serta distribusi spasial komposisi kimiaannya.
Pendahuluan
Proses pengikisan berkelanjutan pada perangkat optoelektronik telah mendorong pengembangan struktur nano tiga dimensi (3D) yang kompleks. Segi ini, nanowires (NW) merupakan kandidat yang menjanjikan untuk merealisasikan struktur sumur kuantum atau titik kuantum (QD) berkualitas tinggi karena rasio permukaan terhadap volume yang besar yang terkait dengan relaksasi regangan yang efisien dalam heterostruktur NW aksial atau radial [1,2,3]. Peningkatan terbaru dalam pertumbuhan area selektif (SAG) melalui epitaksi aliran molekular (MBE) pada template GaN-on-sapphire telah menghasilkan pembuatan larutan teratur dan seragam GaN NW dengan puncak datar atau berbentuk pensil [4, 5]. Yang terakhir digunakan untuk memproduksi struktur cakungan (In,Ga)N/GaN yang tumbuh di ujung multi-faset inti GaN, menyediakan solusi alternatif untuk pertumbuhan QD. Dengan memanfaatkan diameter NW yang dikurangi dan kemungkinan yang sesuai untuk tumbuh heterostruktur dengan bagian pendek materi (In,Ga)N dengan jarak band rendah yang disisipkan dalam penghalang GaN, terbentuk struktur yang disebut dot-in-a-wire (DIW). Tergantung pada dimensi aktual, konfigurasi DIW ini memungkinkan emisi foton tunggal terpolarisasi linier dengan manfaat utama untuk memeriksa hanya satu NW tunggal daripada kumpulan NW [6,7,8]. Analisis mikrostruktur yang rinci dari heterostruktur DIW ini namun diperlukan untuk mempengaruhi morfologi NW, ketebalan cakungan, dan komposisi kimia lokal terhadap karakteristik emisi foton tunggal.
Mikroskop transmisi elektron (TEM) adalah alat yang sering digunakan dan canggih untuk mendapatkan informasi tentang struktur dan komposisi kimia struktur nano tersebut pada skala atom [9]. Namun, simetri yang lebih rendah dari struktur nano 3D ini dibandingkan dengan, misalnya, sistem datar membuat interpretasi mikrograf TEM jauh lebih sulit. Ciri utamanya adalah transmisi sampel oleh baluran elektron sehingga informasi struktural diproyeksikan ke dalam citra dua dimensi. Variasi struktur sampel dalam arah baluran elektron dan dalam urutan ketebalan sampel, atau lebih rendah, sangat sulit atau bahkan mustahil untuk terdeteksi secara langsung. Tomografi elektron dapat mengatasi masalah ini. Alih-alih menggunakan satu proyeksi sampel, serangkaian proyeksi dengan sudut kemiringan yang berbeda terhadap objek direkam untuk merekonstruksi informasi 3D sampel. Ini memungkinkan kemungkinan baru dan canggih untuk menggambarkan dan menganalisis morfologi serta komposisi kimia struktur kompleks seperti nanowires core-shell. Hingga saat ini, hanya beberapa publikasi yang telah diterbitkan mengenai tomografi elektron pada struktur nanowires [9,10,11,12,13,14,15] atau struktur QD tertanam [16].
Karya ini menjelaskan aplikasi tomografi elektron untuk karakterisasi struktural nanowires GaN teratur yang mengandung cakungan (In,Ga)N tertanam. Persiapan sampel dijelaskan secara detail di sini karena tantangan untuk membuat satu nanowires dapat diakses untuk tomografi elektron melalui isolasi tanpa mengintroduksi kerusakan. Morfologi permukaan dan faset kristal nanowires dipelajari melalui analisis representasi permukaan 3D dari cakungan GaN luar. Struktur internal nanowires, yaitu morfologi cakungan (In,Ga)N serta distribusi spasial komposisi kimia, dibahas dengan bantuan irisan dua dimensi dari volume yang direkonstruksi dan pengukuran spektroskopi x-ray dispersi energi (EDX) komplementer.
Metode
Bahan
Nanowires GaN/(In,Ga)N ditumbuhi pada template komersial GaN-on-sapphire (0001) (LUMILOG) dengan ketebalan lapisan penutup GaN sebesar 3,3 μm melalui epitaksi aliran molekular bantu plasma (PAMBE). Dalam langkah pertama, litografi koloidal digunakan untuk menciptakan masker nanolubang Ti yang membentuk pola heksagonal. SAG yang kemudian menghasilkan larutan periodik nanowires GaN dengan puncak seperti pensil. Inti nanowires GaN ditutupi oleh lapisan (In,Ga)N tipis pada suhu pertumbuhan yang lebih rendah dan kemudian diselesaikan oleh lapisan penutup GaN tipis tanpa mengubah suhu. Skema proses pertumbuhan ditunjukkan pada Gambar 1a. Detail tentang prosedur pola substrat dan proses SAG MBE dapat ditemukan di tempat lain [6, 7, 17]. Gambar 1 menggambarkan dua citra mikroskopi elektron pemindai (SEM) dari sampel yang menunjukkan larutan heksagonal nanowires dari pandangan atas (b) dan dengan pandangan miring 45° (c) pada pembesaran lebih tinggi. Mikrograf SEM mengungkapkan susunan yang relatif homogen dengan hanya variasi kecil dalam bentuk dan panjang. Diameter rata-rata nanowires sekitar 180 nm, dan tinggi rata-rata sekitar 500 nm.
a Skema proses pertumbuhan nanowires. Mikrograf SEM dari b larutan nanowires GaN/(In,Ga)N dari pandangan atas dan c pandangan miring 45° dengan pembesaran lebih tinggi
Persiapan Jarum Tomografi
Teknik persiapan yang canggih diperlukan untuk mendapatkan spesimen tomografi berbentuk jarum yang hanya berisi satu nanowires tunggal. Jarum berbundar memungkinkan rentang kemiringan maksimum 180° sehingga ketebalan sampel hampir konstan untuk semua sudut kemiringan. Mikroskop baluran ion terfokus (FIB) memungkinkan persiapan sampel yang spesifik pada lokasi tersebut. Sistem mikroskop dual-beam (JEOL JIB-4501) digunakan untuk pekerjaan ini. Berbagai langkah persiapan berikutnya didasarkan pada teknik standar FIB lift-out dengan penipisan selanjutnya untuk mendapatkan spesimen berbentuk jarum [18,19,20].
Berbagai langkah persiapan diringkas pada Gambar 2. Awalnya, area minat dipilih, yang diidentifikasi oleh susunan heksagonal hampir sempurna dan tidak terganggu dari beberapa nanowires (ditandai dengan kotak putih pada Gambar 2a). Volume probe yang dipilih ini harus diisi dengan karbon untuk melindungi nanowires selama proses pemotongan FIB [21]. Penyimpanan karbon dilakukan dalam dua langkah untuk mengurangi kontaminasi Ga: (i) pertama, dengan penyimpanan karbon yang diinduksi baluran elektron untuk mengisi volume antara nanowires (Gambar 2b), dan (ii) kemudian, dengan penyimpanan karbon yang diinduksi baluran ion gallium untuk membuat lapisan pelindung tebal sekitar 1 μm di atas area yang dipilih (Gambar 2c). Marker karbon tambahan dibuat untuk menyederhanakan orientasi selama langkah persiapan berikutnya.
Mikrograf SEM yang menunjukkan a larutan nanowires dan area yang dipilih untuk persiapan jarum FIB (kotak putih), b nanowires yang tertanam dalam karbon yang diinduksi baluran elektron, c lapisan depo karbon tebal yang diinduksi baluran ion gallium di atas area yang dipilih dan dua marker tambahan, d jarum terisolasi siap untuk lift-out, e, f jarum tomografi yang ditipiskan (panah hitam menunjukkan posisi nanowires), dan g gambaran umum jarum tomografi akhir
Setelah penyimpanan karbon, pemotongan FIB diperkenalkan untuk mengisolasi area yang dilindungi (Gambar 2d) dan untuk memproduksi jarum berbentuk persegi panjang yang berisi beberapa nanowires. Mikromanipulator (Kleindiek Nanotechnik GmbH) digunakan untuk mentransfer jarum ke holder tomografi. Di sinilah, sumbu jarum harus disesuaikan dengan hati-hati paralel dengan sumbu rotasi goniometer sehingga fokus yang sama dapat diterapkan untuk area sampel yang luas. Secara tambahan, sumbu c [0001] nanowires tegak lurus terhadap substrat dan oleh karena itu paralel dengan sumbu jarum. Hubungan ini digunakan untuk menentukan arah kristal terhadap sumbu tomogram. Pola difraksi area terpilih (SAD) yang diukur kemudian menunjukkan kemiringan sumbu c [0001] nanowires terhadap sumbu rotasi tomogram hanya 2,2°.
Langkah penipisan lebih lanjut dilakukan untuk mengisolasi satu nanowires tunggal, untuk membulatkan ujung jarum, dan untuk mencapai transparansi elektron pada akhirnya (lihat Gambar 2e, f). Gambar 2g menunjukkan jarum tomografi akhir.
Tomografi Elektron
Akquisisi tomografi dan analisis mikrostruktur dilakukan dengan TEM (JEOL JEM-2100F) yang beroperasi pada 200 kV. Mikroskop dilengkapi dengan unit pemindaian termasuk detektor bright-field (BF) dan high-angle annular dark-field (HAADF) serta detektor X-ray 50-mm2 (JEOL EX-24065) untuk spektroskopi EDX. Mode STEM HAADF dipilih karena kontras kimia yang dominan [22]. Hubungan monotonis intensitas terhadap kepadatan massa dan ketebalan objek adalah prasyarat untuk tomografi elektron dan dikenal sebagai “persyaratan proyeksi” [23].
Serangkaian 89 mikrograf HAADF direkam dengan langkah 2° antara setiap pengukuran. Serangkaian kemiringan ini yang mencakup rentang penuh 180° dimungkinkan oleh holder tomografi khusus (Model 2050 dari E.A. Fischione Instruments Inc.) yang mendukung geometri yang disiapkan jarum sampel. Setiap mikrograf STEM ditangkap dengan resolusi 2048 × 2048 piksel; waktu tinggal piksel 30 μs, yaitu waktu pemindaian penuh 127 detik per citra; ukuran titik 0,5 nm; dan sudut penerimaan elektron 70 hingga 180 mrad sesuai dengan manual pabrik. Mikrograf di-bin (binning 4 × 4 = resolusi akhir 512 × 512) untuk meningkatkan rasio sinis terhadap kebisingan serta kecepatan komputasi rekonstruksi 3D. Semua mikrograf diselaraskan secara manual satu sama lain sehingga sumbu jarum dipilih sebagai sumbu rotasi untuk transformasi Radon. Tomogram dihitung dan divisualisasikan dengan paket perangkat lunak tomografi (IMOD) [24]. Rendering lanjutan struktur 3D dilakukan dengan perangkat lunak grafik komputer gratis dan open-source Blender (Blender Foundation).
Dalam karya ini, dua metode berbeda diterapkan untuk visualisasi. Irisan dua dimensi diekstrak dari volume 3D yang direkonstruksi. Irisan tersebut memiliki ketebalan akhir di atasnya intensitas voxel (piksel 3D) diintegrasi untuk meningkatkan rasio sinis terhadap kebisingan. Lebar irisan ideal adalah kompromi antara pengurangan kebisingan dan penurunan kontras karena pengirian variasi sampel secara tegak lurus terhadap irisan. Metode visualisasi lainnya adalah representasi isosurface. Ini digunakan jika terdapat kontras yang cukup antara dua material yang berdekatan. Secara umum, isosurface adalah representasi permukaan 3D dari voxel dengan intensitas konstan. Intensitas menengah antara dua material dipilih untuk membangun isosurface yang mereproduksi antarmuka antara material yang berdekatan.
Meskipun mikrograf HAADF digunakan sebagai dasar perhitungan tomogram, distribusi intensitas yang direkonstruksi berasal tidak hanya dari komposisi kimia sampel. Cekungan kristal dalam sampel [25] atau, sebaliknya, keselarasan mikrograf yang salah dan distorsi mikrograf karena drift sampel atau gangguan medan magnet mempengaruhi intensitas yang direkonstruksi dan oleh karena itu resolusi akhir. Hal yang sama berlaku untuk kesalahan rekonstruksi intrinsik seperti artefak cupping [26] atau batas resolusi spasial tomogram karena kriteria Crowther [27] (pembatasan sampel). Yang terakhir harus dipertimbangkan terutama untuk jarum tomografi tebal berukuran ratusan nanometer. Jika ukuran objek yang akan direkonstruksi ditingkatkan, resolusi tomogram akan semakin buruk jika jumlah mikrograf tetap.
Hasil dan Pembahasan
Morfologi Permukaan dan Faset Kristal
Gambar 3a dan b menunjukkan representasi isosurface dari nanowires lengkap dan puncak nanowires dalam pandangan perspektif (tengah) dan dalam berbagai pandangan sepanjang arah indeks rendah dalam langkah 30°. Gambar mengungkap bentuk kristal luar dan faset permukaan, masing-masing. Bagian bawah rekonstruksi menunjukkan silinder heksagonal yang diharapkan dari nanowires, dengan faset permukaan m-plane non-polar \( \left\{1\overline{1}00\right\} \) yang teratur. Faset dan bidang kristal ditentukan berdasarkan pola difraksi elektron yang sesuai yang diambil bersamaan dengan citra HAADF. Contoh pola SAD ini diberikan untuk orientasi − 90°, yaitu sepanjang zone axis [\( 1\overline{1}00\Big] \) (lihat Gambar 3b). Puncak nanowires mencerminkan bentuk piramida yang terdiri dari faset s-plane \( \left\{1\overline{1}01\right\} \) dan faset r-plane \( \left\{1\overline{1}02\right\} \), yang tidak diposisikan secara simetris sempurna satu sama lain. Faset permukaan segitiga sangat kecil (ditandai dengan panah hijau pada Gambar 3b) terletak di dekat ujung nanowires yang kemungkinan besar mewakili faset tipe \( \left\{2\overline{2}01\right\} \). Asimetri kecil seperti ini pada bentuk piramida puncak sering ditemukan pada sampel (lihat Gambar 1). Alasan penyimpangan ini terkait dengan interaksi cekungan seperti yang dibahas pada paragraf berikutnya.
Representasi isosurface dari a satu nanowires tunggal dan b puncak nanowires dengan pandangan perspektif di tengah dan berbagai sudut pandang sepanjang arah indeks rendah GaN (ZA, zone axis). Selain itu, beberapa faset m-, s-, dan r-plane eksempler diberi label (panah hijau menunjukkan faset tipe \( \left\{2\overline{2}01\right\} \))
Di atas faset r-plane yang diberi label dan faset \( \left\{2\overline{2}01\right\} \), “topi” nanowires yang tidak teratur terbentuk di puncak yang sangat atas. Pengukuran TEM resolusi tinggi (HR) pada lembaran TEM sampel yang berisi beberapa nanowires dari wafir yang sama menunjukkan keberadaan cekungan tumpukan dan perubahan jaring kristal dari heksagonal menjadi kubik di wilayah puncak nanowires (tidak ditampilkan di sini). Perubahan struktural ini sesuai dengan pengamatan kami sebelumnya yang dijelaskan oleh ketidakstabilan fase kristal karena suhu pertumbuhan yang secara signifikan lebih rendah yang digunakan untuk pertumbuhan cakungan GaN luar (sekitar 625 °C) dibandingkan inti GaN (sekitar 850 °C) [5, 7].
Struktur Cakungan (In,Ga)N Internal
Tomogram nanowires telah digunakan untuk mengekstrak informasi tentang struktur internal cakungan (In,Ga)N, komposisi kimia, dan distribusi spasialnya. Representasi isosurface 3D dari struktur cakungan tidak dapat diakses dengan mudah karena kontras voxel yang rendah antara cakungan (In,Ga)N dan materi matriks GaN. Oleh karena itu, sebagai alternatif, struktur cakungan internal divisualisasikan dengan mengekstrak irisan tipis yang dipotong dari tomogram 3D yang direkonstruksi.
Gambar 4 menunjukkan sebagai contoh lima irisan melintang melalui ujung nanowires dan sepanjang sumbu kawat [0001]. Setiap irisan memiliki ketebalan sekitar 7 nm. Orientasi irisan dipilih sehingga simersi lipatan enam heksagonal diperhitungkan. Oleh karena itu, irisan diputar sebesar 30° satu sama lain—dengan korespondensi dengan label yang diperkenalkan pada Gambar 3b. Untuk mengilustrasikan hal ini lebih lanjut, citra rendering 3D nanowires bersama dengan posisi spasial irisan yang diputar − 60° (yaitu, irisan paralel dengan bidang jaring \( \left(\overline{2}110\right) \)) juga diberikan pada gambar.
Irisan melintang melalui tomogram. Representasi rendering 3D nanowires dan irisan (sudut kiri atas) menentukan posisi spasial irisan yang diputar − 60°. Semua irisan diputar di sekitar sumbu yang menembus ujung nanowires dan paralel dengan sumbu pertumbuhan nanowires [0001]. Domain inversi (ID) dan lokasi cekungan tumpukan (SF) diberi label. Orientasi irisan sesuai dengan label Gambar 3. Panjang batas skala hitam sesuai dengan 50 nm
Voxel yang direkonstruksi dari (In,Ga)N memiliki intensitas sedikit lebih tinggi dibandingkan dengan GaN. Akibatnya, merujuk pada kode warna Gambar 4, GaN disajikan dalam hijau sedangkan lapisan yang mengandung In muncul merah keemerah-merahan untuk klarifikasi. Irisan melintang menunjukkan struktur core-shell nanowires. Karena pengurangan suhu pertumbuhan untuk overgrowth (In,Ga)N, wajar untuk mengasumsikan bahwa morfologi inti GaN tetap tidak berubah dan pertumbuhan (In,Ga)N berlangsung secara konformal. Dengan demikian, cakungan dalam (In,Ga)N serta cakungan luar GaN secara kasar mereplikasi morfologi inti nanowires GaN. Secara spesifik, lapisan (In,Ga)N membentuk cakungan m-plane lengkap di sekitar kawat yang berubah menjadi cakungan piramida bersifat faset s- dan r-plane di ujung nanowires. Ujung cakungan dalam diperluas membentuk konfigurasi DIW (In,Ga)N yang disebut dengan bentuk piramida terbalik terpotong dengan dasar heksagonal yang terdiri dari faset c-plane sebagai batas atas dan bawah (lihat paragraf berikutnya).
Selain itu, Gambar 4 memberikan gambaran umum tentang berbagai ketebalan lapisan (In,Ga)N. Cakungan m-plane hanya tebal 1 nm (sesuai dengan mikrograf STEM HAADF sepanjang arah \( \left\langle 11\overline{2}0\right\rangle \), lihat File Tambahan 1: Gambar S1) sedangkan faset s- dan r-plane memiliki ketebalan yang berkisar antara 8 hingga 14 nm. Perbedaan ketebalan ini adalah akibat dari laju pertumbuhan heterogen [28, 29] dari berbagai faset dan efek bayangan yang diinduksi oleh difusi indium rendah selama pertumbuhan MBE [30]. Selain itu, atom indium tidak didistribusikan secara homogen di seluruh struktur cakungan, karena tingkat integrasi indium tergantung pada orientasi faset dengan nilai tertinggi pada lapisan c-plane [31]. Tambahan, tampaknya di beberapa area cakungan, konsentrasi lebih tinggi di dekat antarmuka. Sebutkan bahwa cakungan m-plane hanya direstruksi dengan buruk dalam rekonstruksi. Sumbu rotasi transformasi Radon dipilih untuk menembus ujung nanowires untuk mencapai resolusi tomografi terbaik di tengah nanowires menurut kriteria Crowther.
Irisan yang diorientasi − 60° menunjukkan sepotong intensitas tinggi dengan lebar 10 nm. Sepotong ini juga terlihat sebagai kontras terang dalam citra HAADF dari serangkaian kemiringan. Pengukuran gelap-cerah g0002 menunjukkan keberadaan batas domain inversi yang sesuai dengan pengamatan struktur serupa oleh Kong et al. [32]. Ditemukan bahwa domain inversi diinduksi oleh lapisan atom titanium yang tidak disengaja (residu masker) yang terletak antara substrat dan nanowires. Tomografi elektron dari domain inversi ini mengungkapkan bentuk silinder elips seperti yang akan ditunjukkan berikutnya.
Serangkaian irisan pandangan atas melalui tomogram tegak lurus terhadap sumbu nanowires dibuat tambahan dari irisan melintang untuk mendapatkan imajinasi 3D lengkap dari struktur cakungan. Sembilan irisan pada ketinggian berbeda ditampilkan pada Gambar 5 bersama dengan gambaran posisi spasial irisan pertama, bersama dengan irisan melintang yang mewakili posisi ketinggian yang berbeda. Semua irisan pandangan atas memiliki lebar 3,6 nm.
Irisan pandangan atas melalui tomogram. Representasi rendering 3D nanowires dan irisan (sudut kiri atas) menentukan posisi spasial irisan 1. Semua irisan tegak lurus terhadap arah [0001], dan posisi irisan yang berbeda diberi label pada irisan melintang (sudut kanan bawah). Semua irisan memiliki lebar 3,6 nm. Panjang batas skala putih sesuai dengan 50 nm
Pertimbangan Gambar 5 menawarkan dua wawasan baru ke dalam struktur internal nanowires yang tidak dapat diakses secara eksperimental tanpa tomografi elektron. Pertama, langsung terlihat bahwa diameter nanowires dan oleh karena itu luas irisan pandangan atas menurun dari bawah ke atas, yang merupakan hasil dari bentuk seperti pensil nanowires. Namun, layak untuk diperhatikan bahwa dinding sisi dekat domain inversi berbentuk silinder elips tetap pada posisinya dan mengubah dimensinya lebih lambat dari dinding sisi lainnya. Perbandingan dengan representasi isosurface (lihat Gambar 3) menunjukkan bahwa dinding sisi ini sesuai dengan cakungan GaN luar dengan faset m-plane yang sangat panjang yang berubah menjadi faset berbentuk segitiga, \( \left\{2\overline{2}01\right\} \)-mirip (panah hijau pada Gambar 3). Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa keberadaan domain inversi mempengaruhi kinetika pertumbuhan secara keseluruhan sehingga menghasilkan peminjaman dinding sisi terdekat. Akibatnya, pusat ujung nanowires bergeser menuju domain inversi, dan faset sebaliknya harus berputar pada ketinggian yang lebih rendah dari faset m-plane ke faset s- dan r-plane untuk membentuk ujung nanowires yang tergeser.
Kedua, cakungan (In,Ga)N tidak selalu paralel dengan faset m-, r-, atau s-plane dinding sisi GaN. Di bagian bawah nanowires, cakungan (In,Ga)N mereproduksi satu-satu bentuk inti GaN dengan faset m-plane sama seperti cakungan GaN luar. Di sisi lain, di puncak piramida nanowires, cakungan dalam (In,Ga)N menyimpang dari bentuk heksagonal cakungan GaN luar. Misalnya, irisan 4 pada Gambar 5 menunjukkan bahwa faset GaN luar dan cakungan (In,Ga)N memiliki faset yang diputar 30° dari orientasi yang diharapkan berdasarkan alasan simetri. Faset ini sesuai dengan faset semi-polar \( \left\{11\overline{2}l\right\} \). Terkait irisan 1 dan 2, cakungan (In,Ga)N kembali ke bentuk heksagonal menuju ujung dengan dua dari enam faset hanya sedikit mencolok. Penyimpangan dari bentuk heksagonal ini tidak terduga dan hanya dapat terungkap oleh tomografi elektron. Luar biasa bahwa cakungan GaN luar tidak sepenuhnya mereplikasi bentuk cakungan dalam (In,Ga)N, melainkan bentuk nanowires berubah menjadi simetri heksagonal yang diharapkan dari nanowires GaN.
Struktur Dot-in-a-Wire
Seperti yang ditunjukkan sebelumnya pada Gambar 4 dan 5, sisipan dengan kandungan indium yang lebih tinggi terletak di ujung cakungan (In,Ga)N. Tampilan yang lebih rinci dari struktur DIW ini digambarkan pada Gambar 6. Gambar ini menyajikan versi diperbesar dari irisan pandangan atas dan irisan melintang dari rekonstruksi tomografi. Selain itu, ia menunjukkan representasi isosurface dari bentuk 3D titik serta distribusi indium yang diukur oleh EDX. Analisis EDX dilakukan dari ujung nanowires serupa dari wafir yang sama.
Irisan tomografi diperbesar a pandangan atas dan b, c melintang dari Gambar 4 dan 5 yang mengungkapkan morfologi struktur dot-in-a-wire. d representasi isosurface 3D dari titik (In,Ga)N. Pengukuran EDX pada ujung nanowires serupa disajikan dalam bentuk e peta EDX yang menunjukkan distribusi spasial indium dan f spektrum EDX yang diekstrak dari peta pada tiga wilayah berbeda: (I) di dalam titik (In,Ga)N, (II) di dalam cakungan (In,Ga)N, dan (III) di dalam cakungan GaN luar
Tiga irisan pada Gambar 6a–c mengungkapkan bentuk dan dimensi titik. Berdasarkan irisan pandangan atas pada (a), titik hampir menunjukkan geometri paralelogram daripada heksagon dengan dua dinding sisi yang kurang mencolok. Panjang dua pasang dinding sisi yang lebih besar masing-masing 32 nm dan 24 nm. Tinggi titik—seperti yang diberikan oleh dua irisan melintang pada (b) dan (c)—sekitar 14 nm. Selain itu, irisan melintang mengungkapkan perlebaran lateral titik menuju atas yang diiringi dengan pembentukan faset diring sisi r- dan s-plane di mana dasar dan atas membentuk faset c-plane. Dengan demikian, struktur titik mirip dengan piramida terbalik terpotong dengan dasar heksagonal yang terdistorsi. Bentuk 3D nanodot ini dijelaskan lebih lanjut oleh representasi isosurface pada Gambar 6d, yang mengonfirmasi bentuk bersifat faset dari titik dan sekaligus menunjukkan bahwa faset c-plane bawah memiliki kekasaran yang lebih tinggi.
Gambar 6e dan f mengungkapkan hasil pengukuran EDX melalui peta indium bersama dengan spektrum yang diambil dari posisi di dalam titik (In,Ga)N (I) dan cakungan (II), serta di dalam cakungan GaN luar (III). Tidak ada intensitas garis In-Lα1 yang terdeteksi di wilayah GaN (III). Di sisi lain, ada perbedaan besar dalam intensitas garis antara cakungan dan titik yang memverifikasi perbedaan besar dalam konsentrasi indium [7]. Kandungan indium titik diperkirakan kasar sebesar (24 ± 6)% (lihat File Tambahan 1: Gambar S2 untuk lebih banyak detail). Peta EDX oleh karena itu memungkinkan pemisahan spasial yang jelas antara cakungan (In,Ga)N dan titik sambil sekaligus membuktikan bentuk bersifat fasetnya. Selain itu, peta EDX menunjukkan bahwa voxel dengan intensitas tinggi pada tomogram yang sangat dekat dengan ujung nanowires tidak berasal dari integrasi indium. Peningkatan intensitas ini dapat dikaitkan dengan kontras HAADF yang timbul dari cekungan tumpukan di wilayah “topi” yang terganggu [25]. Selain itu, ujung memiliki ketebalan yang jauh lebih kecil dibandingkan bagian lain nanowires yang mengakibatkan penilaian berlebihan terhadap kepadatan massa wilayah ujung [26].
Representasi isosurface 3D dari titik (In,Ga)N mengungkapkan kekasaran kimia yang signifikan pada antarmuka bawah dibandingkan dengan antarmuka c-plane yang halus di atas (lihat Gambar 6d). Asal kekasaran ini dapat dihubungkan dengan mekanisme nukleasi (In,Ga)N pada ujung multi-faset inti nanowires GaN. Sementara pertumbuhan (In,Ga)N pada m-, r-, dan s-plane berlangsung dalam mode 2D karena konsentrasi indium yang rendah, kandungan indium yang jauh lebih tinggi (In,Ga)N pada c-plane menghasilkan pertumbuhan inti 3D yang diregangkan. Inti ini menghasilkan stres pada lingkungannya yang akan merusak antarmuka dan akhirnya menyebabkan kekasaran yang diukur.
Kesimpulan
Nanowires core-shell (In,Ga)N/GaN telah diteliti menggunakan tomografi elektron. Representasi isosurface serta irisan tomografi memungkinkan penetapan fasetasi cakungan GaN luar dan cakungan (In,Ga)N dalam. Terlihat bahwa simetri nanowires terganggu oleh keberadaan domain inversi silinder. Khususnya, penyimpangan dari simetri heksagonal yang diharapkan dari cakungan dalam (In,Ga)N telah diungkapkan, yang hanya dapat terpecahkan oleh tomografi elektron. Selain itu, perbedaan ketebalan cakungan (In,Ga)N dan integrasi indium dari berbagai faset dianalisis. Tambahan, morfologi struktur DIW (In,Ga)N dikarakterisasi secara rinci. Ditemukan bahwa titik bersifat faset dan mengandung kandungan indium yang jauh lebih tinggi dibandingkan cakungan. Peta EDX komplementer digunakan untuk mengonfirmasi intensitas voxel tomogram yang dipengaruhi oleh, misalnya, cekungan tumpukan yang terbentuk di ujung nanowires yang sangat atas yang mungkin disebabkan oleh pertumbuhan cakungan GaN luar pada suhu rendah.
Analisis tomografi memberikan gambaran lengkap dari struktur core-shell kompleks nanowires yang diteliti. Inti GaN memiliki bentuk heksagonal termasuk puncak piramida dengan penyimpangan kecil karena pengaruh domain inversi, dan cakungan (In,Ga)N mereplikasi satu-satu bentuk inti. Tak terduga, cakungan GaN luar tidak mereproduksi bentuk cakungan dalam (In,Ga)N dan inti GaN; malah, ia ditransformasikan ke bentuk yang diharapkan berdasarkan simetri heksagonal. Hasil menunjukkan bahwa tomografi elektron memungkinkan wawasan ke dalam evolusi pembentukan struktur core-shell selama pertumbuhan.
Penyelidikan mendatang di bidang ini mengarah pada masalah stabilitas legam dan potensi fluktuasi legam pada skala nanometer serta distribusi spasialnya karena mereka sangat mempengaruhi karakteristik emisi dan sifat optik. Oleh karena itu, upaya kami dapat berfokus pada peningkatan resolusi spasial dan sensitivitas kimia dari rekonstruksi 3D kami dari struktur DIW (In,Ga)N untuk dapat mendeteksi inhomogenitas legam indium dan nanoklaster.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang digunakan dan dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis penanggung jawab atas permintaan yang wajar.
