Nucleation and growth of metastable Ge1-xSnx alloy nanowires with high tin content

Abstract

The first bottom-up synthesis procedure for Ge1-xSnx nanowires with a high tin content of 12.4 ± 0.6 % and constant diameter along their axis was developed. The synthesis was enabled by using a microwave approach in combination with metalorganic precursors. The keys to success have been attributed to the ratio of homo- and heterometallic derivatives in the precursor mixture, the pretreatment of the precursor mixture and the low temperatures used for the synthesis. The different morphologies of the synthesised nanowires pointed towards the specific growth regimes, which were related to the decomposition of the homo- and heterometallic precursor species providing germanium and tin for the Ge1-xSnx growth. Based on these results, a modified procedure was developed for the controlled growth of Ge1-xSnx nanowires with constant diameter and a high tin content. EDX elemental mapping images confirmed the homogenous distribution of tin in the germanium lattice, while HRTEM images show the high crystallinity of the Ge1-xSnx nanowires. Independent and complementary techniques, such as XRD, Raman and EDX analysis have been performed for the determination of the tin content. HRTEM images suggest the appearance of oriented attachment during the nucleation regime of Ge1-xSnx nanowires with constant diameter. Furthermore, Ge1-xSnx nanowires with diminishing diameter showed an increasing amount of tin incorporated into the germanium lattice towards the tip area. The increased percentage of tin can be related to the smaller diameter of the materials and thus a more effective strain release accompanied with a higher amount of tin in the germanium lattice. These results represent important findings for the controlled synthesis of nanoscale, metastable Ge1-xSnx.

In dieser Arbeit wird das erste Bottom-up-Verfahren zur Herstellung von Ge1-xSnx Nanodrähten mit einem hohen Zinngehalt von 12.4 ± 0.6 % und konstantem Durchmesser entlang der Wachstumsachse vorgestellt. Die erfolgreiche Synthese basiert auf molekularen Vorstufen, die in einem Mikrowellenprozess thermisch zersetzt werden. Der Schlüssel zum Erfolg wird dem Verhältnis der auftretenden Intermediaten in der Mischung, der Vorbehandlung dieser Vorstufenmischung und den vergleichsweise geringen Temperaturen während der Synthese zugeschrieben. Die unterschiedlichen Strukturen der synthetisierten Nanodrähte legen das Auftreten verschiedener Wachstumsregime nahe, welche der Zersetzung unterschiedlicher homo- und heterometallischen Vorstufen, und der damit verbundenen Festlegung des Germanium-Zinn-Verhältnisses, zugeschrieben werden können. Diese Erkenntnisse machen ein kontrolliertes Wachstum von Ge1-xSnx Nanodrähten mit konstantem Durchmesser und einem hohen Zinngehalt möglich. EDX-Elementverteilungsmessungen zeigen eine gleichmäßige Verteilung von Zinn im Germaniumgitter, während HRTEM-Bilder die hohe Kristallinität der Nanodrähte bestätigen. Zur Bestimmung des Zinngehalts wurden komplementäre XRD-, Raman- und EDX-Messungen durchgeführt. HRTEM-Bilder legen eine orientierte Anlagerung während des Nukleationregimes der Ge1-xSnx Nanodrähte mit konstantem Durchmesser nahe. Außerdem konnte gezeigt werden, dass bei Ge1-xSnx Nanodrähte mit abnehmendem Durchmesser in Richtung der Spitze des Nanodrahtes mehr Zinn in das Germaniumgitter eingebaut werden kann. Der höhere Zinngehalt kann auf einen effektiveren Abbau von Verspannungen über die Oberfläche des Nanodrahtes mit geringerem Durchmesser erklärt werden. Diese Ergebnisse liefern sehr wichtige Erkenntnisse, die zur kontrollierten Synthese von nanoskaligem, metastabilem Ge1-xSnx verwendet werden können.