Focused ion beam induced synthesis of nanowires

Abstract

Anwendungen aus Nanotechnologie und Nanoelektronik beeinflussen bereits jetzt das Alltagsgeschehen nachhaltig. Um noch leistungsfähigere Komponenten herstellen zu können, muss die Miniaturisierung der Strukturen weiter vorangetrieben werden. Damit man diesen Anforderungen gerecht wird, ist es allerdings notwendig, neue Herstellungsverfahren für niedrig-dimensionale Nanostrukturen wie dünne Schichten (2-D), Nanoröhrchen und Nanodrähte (1-D) und Quantenpunkte (0-D) zu etablieren.<br />Für die Erzeugung von 1-D-Nanostrukturen gibt es im Wesentlichen zwei Möglichkeiten, den "Top-Down"-Prozess und den "Bottom-Up"-Prozess. Beim "Top-Down"-Prozess werden die Proben mit geeigneten Masken versehen und anschließend die entsprechenden Strukturen aus dem Substrat herausgeätzt. Dieses Verfahren ist jedoch sehr aufwendig, es erfordert in der Regel eine Vielzahl an Vorlaufexperimenten um die gewünschten Strukturen zu erhalten. Beim "Bottom-Up"-Prozess hingegen werden die Nanostrukturen auf dem Substrat aufgewachsen. Stellvertretend für eine Vielzahl an Verfahren seien hier der "Vapor-Liquid-Solid"-Wachstumsmechanismus (VLS), ein katalytischer Prozess in Verbindung mit einem Metallpartikel und die elektrochemische Deposition (ECD), bei der Material auf einer vorstrukturierten Membran abgeschieden wird, angeführt.<br />Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einer neuen Methode zur Synthese von Germanium-, Galliumantimonid- und im Speziellen von Antimon-Nanodrähten durch den Einsatz eines fokussierten Gallium-Ionenstrahls (FIB, von engl. "focused ion beam"). Im Gegensatz zu den bereits erwähnten Verfahren ist hier weder die Zufuhr von Temperatur noch eine zusätzliche Materialquelle erforderlich.<br />Zur Diskussion dieses FIB-induzierten Wachstums von Nanodrähten wird ein Modell ähnlich dem des VLS-Wachstumsprozesses mit Gallium als Katalysator herangezogen. Dabei dient ein metallisches Partikel auf der Substratoberfläche, das bei hinreichend hoher Umgebungstemperatur einen katalytisch aktiven Nanotropfen bildet, als bevorzugte Stelle für die Adsorption eines gasförmig zugeführten Reaktants. Im Falle einer Übersättigung des gelösten Materials kommt es zur Nukleation eines Keims an der Grenzfläche zwischen dem Substrat und dem Nanotropfen, was letztendlich zu einem anisotropen Wachstum von Nanodrähten führt. Es wird vermutet, dass beim FIB-Prozess an der Substratoberfläche eine hochmobile Gallium-Spezies erzeugt wird, die rasch zu flüssigen, katalytisch aktiven Nanotropfen agglomeriert. Gesputtertes Antimon wiederum kann an der Oberfläche diffundieren, sich in diesen Nanotropfen lösen und daher als die benötigte Materialquelle fungieren. Wenn die Antimon-Konzentration die maximale Löslichkeit übersteigt, scheidet sich Antimon in Form von Nanodrähten aus. Solange der Katalysator flüssig bleibt und die Übersättigung durch permanenten Nachschub gewährleistet ist, kann der Nanodraht weiterwachsen.<br />Einzelne Nanodrähte werden auf Substrate übertragen, die mit einer isolierenden Schicht überzogen sind, und im Anschluss mit Metallelektroden versehen. Die nachfolgende elektrische Charakterisierung zeigt eine starke Abhängigkeit der Messergebnisse von der Atmosphäre, die die Probe umgibt. Eine signifikante Veränderung des Widerstands über mehrere Größenordnungen kann beobachtet werden, wenn diese Antimon-Nanodrähte Wasser- oder Ethanoldampf ausgesetzt sind. Beim Einsatz von Sauerstoff, Helium, Wasserstoff oder Kohlenmonoxid hingegen und auch bei Messungen unter Vakuumbedingungen bleiben die elektrischen Eigenschaften unverändert. Ihre Selektivität und Sensitivität machen Antimon-Nanodrähte äußerst interessant für zukünftige Anwendungen in der Sensorik.<br />

The ongoing process of shrinking dimensions for future nanoscale devices and on-chip applications is expected to greatly increase the performances. Due to the essential need of new fabrication methods low-dimensional nanostructures such as thin films (2-D), nanotubes and nanowires (1-D) and quantum dots (0-D) are required. For 1-D nanofabrication, two different approaches can be followed, the so-called "top-down" and the "bottom-up" approach. With the former approach, the nanostructures are generated by etching the substrate usually using lithographically processed masks. This method is very time-consuming as a lot of experiments have to carried out to obtain the desired results.<br />With the latter approach, nanowires are grown from the bottom-up on a substrate, e.g. by the vapor-liquid-solid (VLS) growth mechanism in combination with a metal catalyst or the electrochemical deposition (ECD) using templates such as anodic alumina membranes.<br />The present work focuses on the investigation of a novel gallium focused ion beam (FIB) based approach for synthesis of nanowires on germanium, gallium antimonide and in particular on pure antimony substrates. In contrast to the above-mentioned techniques this process offers a new possibility of nanostructure formation in a completely different way as no external temperature treatment nor any additional material source is needed.<br />The FIB stimulated nanowire growth is discussed based on a model similar to VLS with gallium acting as catalyst. Thereby, a catalytic metal particle on the sample surface forms a liquid alloy cluster if the ambient temperature is high enough and serves as the preferential site for adsorption of reactant from the vapor phase. It is supposed that supersaturation is the driving force for nucleation of seeds at the interface between the alloy cluster and the substrate surface giving rise to a highly anisotropic growth of nanostructures. It is assumed that FIB processing produces mobile Ga species on the surface, which rapidly agglomerate forming catalytic nanoclusters. Sputtered Sb diffuses on the surface and acts as a quasi-vapor phase source. When the solved Sb concentration exceeds solubility, nucleation sites will be formed which initiate the precipitation of the Sb. Nanowire growth continues as long as the droplet remains in a liquid state and supersaturation is maintained.<br />Individual nanowires deposited on isolating substrates and contacted by electrodes for electrical characterization show a strong dependency on the surrounding ambient atmosphere. During measurements at room temperature a significant change of the resistance over several orders of magnitude is observed when such a nanowire device is exposed to water or ethanol vapor. The electrical behavior is unaffected by exposure to a pure oxygen, helium, hydrogen, carbon monoxide or vacuum ambient. Both, chemical selectivity and sensitivity make Sb nanowires interesting candidates for future sensor applications.