Morphologische Transformation der Silizium (112) Oberfläche durch Metalladsorption : Facettierung vs. Stabilisierung

Wiethoff, Christian

In den letzten Jahren haben Halbleiter-Nanodrähte ein enormes Comeback in der weltweiten Forschung erlebt. Aufgrund vielfältiger Anwendungsmöglichkeiten, oder der Hoffnung auf diese, wurden die winzig kleinen Drähte das Thema vieler Veröffentlichungen. Das häufigste beim Nanodrahtwachstum eingesetzte Metall ist Gold. Die damit erzeugten Nanodrähte können aufgrund der elektronischen Eigenschaften allerdings nicht zur Erzeugung von integrierten Schaltkreisen (IC's) genutzt werden. Unproblematisch ist in diesen Prozessen die Verwendung von Aluminium, da es schon seit langem in IC's verwendet wird. Bei Versuchen mit Aluminium Nanodrähte zu erzeugen, fielen unter anderem die besonders glatten Oberflächen der Drähte auf, was bei anderen Metallen noch nicht beobachtet worden war. In dieser Arbeit wird nun die Veränderung der Silizium (112) Oberfläche bei Metalladsorption untersucht. Da Nanodrähte mit [111]-Wachstumsrichtung [112]-artige Oberflächen zeigen, kann so an einer quasi unendlich großen "Drahtoberfläche" die Wechselwirkung von Metallen mit dem Silizium untersucht werden. Als Testkandidaten bieten sich Gold und Aluminium an, aufgrund der Ähnlichkeit zu Gold wird auch die Adsorption von Silber untersucht. Die Untersuchung der Oberflächen wird hauptsächlich mit Spot Profile Analysis Low Energy Electron Diffraction (SPALEED) durchgeführt. Durch diese hochauflösende Beugungsmethode ist es möglich, auftretende Strukturen und Facetten sehr genau in Größe und Richtung zu charakterisieren. Für die Goldadsorption ergeben sich acht verschiedene Oberflächenphasen, von denen die stabilste eine Sägezahnstruktur mit 111- und 113-Facetten bildet, die auch auf Nanodrähten vorhanden ist. Bei Silberadsorption bildet die Silizium (112) Oberfläche 111- und 115-Facetten aus. Die Facettengrößenverteilung ist sehr schmal, durch den finite-size Effekt entstehen daher Beugungsbilder mit Minima in der Nähe der Braggpunkte. Die Aluminiumadsorption führt im Gegensatz zu den anderen Metallen zu einer Stabilisierung der (112) Oberfläche. Diese atomar glatte Oberfläche wurde auch auf mit Aluminium als Katalysator gewachsenen Nanodrähten beobachtet.

Semiconductor nanowires lately attracted immense attention in worldwide research. Lots of possible applications were discussed and partially realized. Gold is the most commonly used metal in catalyzed nanowire growth, but exhibits poor electronic properties for building integrated circuits. Recently, aluminium was achieved to work as a catalyst and the nanowires grown this way showed extremely smooth surfaces. This is in contrast to surfaces grown with other metals. In this work the modification of the silicon (112) surface by metal adsorption is studied. Since nanowires with [111] growth direction have [112]-like sidewalls, this way a virtually endless nanowire surface is used to study the interaction of gold, silver and aluminium with the silicon surface. Spot Profile Analysis Low Energy Electron Diffraction (SPALEED) is used to analyze the surfaces. This high resolution diffraction method allows for detailed characterization of the surface structures and facets. Gold adsorption leads to eight different surface phases, the most stable one exhibits 111- and 113-facets and is shown to occur on nanowire surfaces if they were grown with gold as a catalyst. Silver adsorption pushes the surface to form 111- and 115-facets. The facet size distribution is quite narrow, so the finite size effect creates intensity minima in the vicinity of the bragg points in diffraction patterns. Aluminium adsorption finally leads to a stabilization of the silicon (112) surface, no facets are formed. This atomic flat surface was seen on nanowire sidewalls, grown with aluminium as catalyst.

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Wiethoff, Christian: Morphologische Transformation der Silizium (112) Oberfläche durch Metalladsorption. Facettierung vs. Stabilisierung. 2010.

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