Mijic, M. (2010). Raman-Untersuchungen an einzelnen VLS gewachsenen Germanium-Nanodrähten [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/161594
Raman; Germanium; Nanowires; Confocal; Spectroscopy; Temperature Effect; Quantum Effect
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Abstract:
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es, einzelne nach dem Vapor-Liquid-Solid (VLS) Verfahren gewachsene Germanium - Nanodrähte (GeNWs) ramanspektroskopisch zu untersuchen. In weiterer Folge sollten die NWs kontaktiert werden, um eine gleichzeitige Charakterisierung der elektrischen und optischen Eigenschaften von NWs zu ermöglichen. Von dreidimensionalen Strukturen zu eindimensionalen Nanostrukturen, wie den NWs, ist eine Veränderung der Eigenschaften des Materials zu erwarten. Diverse Effekte, z.B. aufgrund der Skalierung des Materials, wie der Quanteneffekt oder der Einfluss der Bestrahlung durch den Laser wurden eingehend untersucht. Eine berührungsfreie Methode, diese Quantisierungseffekte zu messen, ist die Raman-Spektroskopie. Nach einer kurzen allgemeinen Einleitung folgt der theoretische Teil dieser Arbeit, der sich in den ersten Kapiteln mit den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Halbleitermaterials Germanium befasst. Der VLS-Wachstumsmechanismus wird anschließend kurz beschrieben. Es folgt eine ausführliche theoretische Behandlung der Schwingungsspektroskopie, die unter anderem die Eigenschwingungen des Gitters, sowie das Modell der Phononen beinhaltet. Der folgende Abschnitt handelt von der konfokalen Raman-Spektroskopie und der Möglichkeit zur zerstörungs-freien Materialuntersuchung. Der Ramaneffekt handelt von inelastischer Streuung und wird daher sehr ausführlich behandelt. Das konfokale Prinzip ist ein wichtiger Aspekt in Kombination mit der Raman-Spektroskopie und deswegen wird diesem auch ein Kapitel gewidmet. Im Kapitel experimentelle Durchführung wird das konfokale Raman-Gerät alpha300R von der Firma WITec, sowie seine wichtigsten Komponenten vorgestellt. Dieses konfokale Raman-Mikroskop bietet neue Möglichkeiten in der Analyse von Nanostrukturen und erlaubt hochaufgelöste Untersuchungen einzelner NWs. Ein weiterer Abschnitt befasst sich mit der Kontaktierung einzelner NWs und dem Messaufbau zur gleichzeitigen Untersuchung der elektrischen und optischen Eigenschaften einzelner NWs. Unter Diskussion und Ergebnisse befinden sich Messungen und Auswertungen makroskopisch ausgedehnter Germanium Proben sowie einzelner GeNWs. Der Einfluss der Laserleistung auf das Ramansignal wurde dabei untersucht und speziell für NWs der Einfluss des Durchmessers auf das Ramanspektrum. Das Ende dieses Kapitels beinhaltet eine berührungsfreie in situ Ramanmessung zur Bestimmung der Temperatur des GeNWs bei Stromfluss. Im abschließenden Kapitel folgt eine kurze Zusammenfassung der beobachteten Ergebnisse.
In the present work, individual Vapor - Liquid - Solid (VLS) grown germanium nanowires (GeNWs) were investigated by Raman spectra. Further, GeNWs were deposited on SiO2 coated substrate, contacted via e-beam lithography and lift-off technique to enable simultaneous optical and electrical measurement. Changes in material properties were expected due to the downscaling from three-dimensional structures to one-dimensional crystalline structures such as the NWs. Laser heating effect and quantum effects, such as confinement effect, were investigated. At this scale, the quantum effects become significant and the properties of nanomaterials qualitatively differ from those of the same material at the bulk scale. Raman spectroscopy is a non destructive method and can provide new and detailed information on the properties and quality of the nanomaterials. After a short introduction, the theoretical background on chemical and physical properties of the germanium is shown. The theory of the scattering and Raman spectroscopy is also discussed in the separate subsection, which contains the Eigen-oscillation of the lattice and the phonon model. The next part of the thesis describes theoretical aspects of confocal Raman spectroscopy. The Raman effect deals with the inelastic scattering and therefore it will be described in detail. In the next chapter, which is the experimental part of the thesis, the Raman equipment is described. The confocal Raman Instrument alpha300R and all relevant components are introduced. Further sample preparation, the bonding of individual GeNWs and the setup for simultaneous optical and electrical measurement of the GeNW is presented. The last part, results and discussion, contains characterization and evaluations of the measurements on germanium bulk samples and then afterwards on individual GeNWs. The laser heating effect on single GeNWs as well as the effect of the NW diameter on the Raman spectra is explored. Finally, a non-contact in situ Raman measurement for the determination of the temperature increase of the GeNW due to the current is shown. A summary of the observed results will conclude the diploma thesis.
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