Nucleation and growth of Germanium nanostructures using unusual metal seeds

Abstract

Schnell fortschreitende Entwicklungen in der Elektronikindustrie hinsichtlich erhöhter Leistung und Miniaturisierung führt zu einer vergrößerten Nachfrage nach neuen Materialien mit immer besseren elektronischen Eigenschaften. Nanostrukturen des Gruppe-IV Elements Germanium sind in diesem Zusammenhang von besonderem Interesse, da sie überdurchschnittlich hohe Ladungsträgermobilitäten aufweisen. Für gewöhnlich werden Germanium-Nanodrähte mittels Gold-unterstütztem Wachstum hergestellt. Diese Methode hat jedoch mehrere Nachteile. Zum Beispiel, dass in den Nanodraht eingebaute Goldatome die Halbleitereigenschaften des Materials verschlechtern. Aus diesem Grund werden alternative Materialien als Wachstumskeim für elongierte Germanium-Nanostrukturen untersucht. Im ersten Teil der Arbeit wird das Blei-unterstützte Wachstum von Germanium-Nanodrähten beschrieben. Nanodrähte wurden mit Hilfe von flüssigen Bleikeimen auf Siliziumsubstraten, in überkritischem Lösungsmittel, sowie mittels chemischer Gasphasenabscheidung synthetisiert. Die erhaltenen einkristallinen Drähte zeigten Durchmesser um 15 nm und wiesen keinen Einbau von Bleiatomen auf. Des Weiteren wurde das Nanodrahtwachstum mittels festen Bleikeimen unter überkritischen Bedingungen untersucht. Zu diesem Zweck wurden Germanium- und Bleiamid Vorstufen eingesetzt, die sich bei den vorherrschenden niedrigen Temperaturen bereits ausreichend zersetzen. Ein weiterer Abschnitt der Dissertation befasst sich mit der Niedertemperatursynthese von Germanium Nanostäbchen und Nanodrähten. Dazu wurden Keime aus Gallium in situ durch die Thermolyse von Pentamethylcyclopentadienyl Gallium(I) in Toluol erzeugt, die das Nanodrahtwachstum initiieren. Die Wachstumstemperatur der Nanostrukturen konnte auf Grund der katalysierten Zersetzung der Germaniumvorstufe durch die Galliumkeime auf bis zu 170 °C verringert werden, was zum heutigen Zeitpunkt die niedrigste Temperatur für Germanium-Nanodrahtwachstum mittels CVD darstellt. Die er-haltenen Nanodrähte zeigten trotz der niedrigen Wachstumstemperatur eine sehr hohe Kristallinität. Des Weiteren konnte ein Einbau von bis zu 3.6 % Gallium in die Germaniumstrukturen beobachtet werden. Eine elektrische Charakterisierung von Einzeldrähten ergab aus diesem Grund eine, im Vergleich zu reinen Germaniumdrähten, stark erhöhte Leitfähigkeit. Im letzten Teil wird die Kontrolle über die Kristallstruktur von Germanium-Nanodrähten mit Hilfe von Defekttransfer fester Silberkeime auf Germanium-Nanodrähte untersucht. Zu diesem Zweck wurden verzwillingte Silberbipyramiden mittels der Polyolmethode hergestellt und anschließend als Wachstumskeime für Germanium-Nanodrähte verwendet. Durch das in der Polyolmethode verwendete Tensid kam es zu einem stark erschwerten Wachstumsprozess, der sich in einer verschlechterten Nukleation, sowie dem Auftreten von defektreichen Drähten, die viele Wechsel der Wachstumsrichtung aufweisen äußerte, was die Untersuchung des Defekttransfers stark erschwert. Trotzdem konnten Indizien für einen erfolgten Defekttransfer gefunden werden

The fast progress in the electronic industry regarding enhanced performance and miniaturisation leads to an increased demand for new materials exhibiting superior electronic properties. Elongated nanostructures of the well-known group IV element germanium stay in focus of intense research efforts due to the high charge carrier mobility’s, achievable with this material. Usually, germanium nanowires are grown via the gas-phase on substrates or in solution using a gold-assisted growth process. However, the usage of gold as growth promoter leads to many drawbacks, such as decreasing semiconducting properties due to incorporation of seed atoms into the nanowire material. Therefore, various metals have been investigated as alternative growth promoters, nevertheless some interesting elements have not been examined yet. In the first part of this thesis, the application of lead as an alternative growth promoter for germanium nanowires is investigated. Nanowire growth is conducted via liquid-seeded growth in the vapour phase and under supercritical fluid conditions. Obtained single crystalline nanowires with approx. 15 nm in diameter exhibit no seed material incorporation. Additionally, solid-seeded growth in the supercritical regime is investigated. Therein, metal-amide precursors are used, to achieve sufficient thermolysis at lower growth temperatures. In another study, low temperature growth for germanium nanorods and nanowires is examined. Gallium seeds, which induced nanowire growth, are generated in situ by the thermal decomposition of pentamethylcyclopentadienyl gallium (I) in toluene. Gallium seeds seem to catalyse the decomposition of the germanium precursor, which enables decreasing the growth temperature as low as 170 °C, which is the lowest reported temperature for germanium nanowire grown via CVD. The obtained nanostructures exhibited a high crystallinity, despite low growth temperatures. Elemental maps obtained from STEM EDX measurements exhibit an incorporation of up to 3.6 % gallium into the nanowire matrix. Ga incorporation in germanium is known to result in a p-doping effect of the material. Electrical characterisation of single nanowires revealed a very high conductivity compared to pristine germanium nanowires. Lastly, the defect transfer from solid silver seeds to germanium nanowires is used to gain control over the nanowires’ crystal structure. Silver bipyramids exhibiting a defined twin structure are synthesised via the polyol-method and used to promote nanowire growth via a solid-seeded mechanism. Unfortu-nately, nucleation as well as nanowire growth is strongly inhibited, which is related to the capping agent, used for the polyol method. Large fractions of the obtained nanowires exhibit strong kinking or diameters not matching to the synthesised silver seeds. Nevertheless, hints towards a successful defect transfer are found.