Aufgerollte Nanoröhren auf III-V-Halbleiterbasis

Abstract

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung, Charakterisierung und Funktionalisierung von dreidimensionalen Mikro- und Nanoobjekten aus zweidimensionalen Schichten. So werden Bänder, Ringe und freistehende Membranen aus verspannten Bischichten hergestellt, die durch einen selektiven Ätzprozeß von ihrem Substrat abgelöst werden. Weiter wird eine Reihe von selbstorganisierenden, halbleiter-basierten Nanoröhren (RUNT) gezeigt, die durch Aufrollen solcher verspannten Bischichten entstehen. Diese RUNTs haben bis zu 30 Umdrehungen auf der Substratoberfläche ausgeführt und erreichen als kleinsten Durchmesser 15 nm. Der Fokus der Arbeit liegt auf Objekte, die aus der InGaAs/GaAs-Materialkombination entstehen.

Weiter wird der Aufrollprozeß der RUNTs detailliert mittels Echtzeit- Video-Mikroskopie untersucht. Dabei wird beobachtet, daß der Aufrollprozeß nach einer ersten Startphase linear mit der Zeit verläuft, aber nach einer gewissen Zeit in reproduzierbarer Art und Weise stoppt. Die Sättigung stellt eine Selbstlimitierung dar, in der die Aufrolldistanz der Bischicht, die die RUNT bildet, unabhängig von der Zeit wird. Diese Selbstlimitierung, sowie das lineare Bildungsverhalten, lassen so eine genau Kontrolle der RUNT-Position auf der Substratoberfläche zu. Die mittlere Aufrollgeschwindigkeit wird als Funktion der Probenparameter (RUNT-Durchmesser und Opferschichtdicke) untersucht. Hierbei wird gezeigt, daß die Aufrollgeschwindigkeit im untersuchten RUNT-Durchmesserbereich von 20 nm zu 560 nm unabhängig vom Durchmesser ist. Weiter wird demonstriert, daß RUNTs mit Durchmessern kleiner 500 nm durch Wachstum auf strukturierten Substraten lateral angeordnet werden können.

In nächsten Kapitel werden die strukturellen Eigenschaften der RUNTs näher untersucht. Im ersten Teil wird zunächst das Skalierungsverhalten als Funktion von Bischichtdicke und Indiumgehalt untersucht. Dabei werden verschiedene, symmetrische Bischichten für verschiedene Indiumgehalte von x = 0, 05 bis x = 1 hergestellt. Es wird gezeigt, daß eine Indiumkonzentration x > 0, 05 notwendig ist, um RUNT-Bildung sicher zu stellen. Im REM ausgemessene RUNT-Durchmesser werden mit theoretischen Durchmessern der Kontinuumsmechanik verglichen. Dabei wird festgestellt, daß über einen weiten Bereich von Indiumkonzentrationen und Bischichtdicken der RUNT-Durchmesser mit berechneten Durchmessern durch die Kontinuumsmechanik übereinstimmen.

Als asymmetrische Bischichten werden InAs/GaAs-Bischichten zwischen 0,9 nm bis 5 nm untersucht. In diesem Bereich kann der beobachtete RUNT-Durchmesser ebenfalls mit theoretischen Durchmessern der Kontinuumsmechanik für beschrieben werden.

Weiter wird die Wandstruktur vollständig freistehender RUNTs mit TEM und Ramanspektroskopie untersucht. Es wird beobachtet, daß die Wand aus alternierenden Lagen kristalliner und nicht-kristalliner Schichten besteht, die auf diese Weise ein radiales Übergitter bilden. Das Entstehen der nichtkristallinen Schicht wird auf den "Bonding"-Prozeß währen der RUNT-Bildung zurückgeführt.

Das letzte Kapitel beschäftigt sich mit den möglichen Anwendungen der RUNTs in der Nanotechnologie. Im ersten Abschnitt wird durch lokales Lasererhitzen unter Laboratmosphäre demonstriert, daß die Wand der RUNTs über einen ausgewählten Bereich modifiziert werden kann. Das Erhitzen wird in situ mittels Ramanspektroskopie überwacht. In diesem speziellen Fall wird beobachtet, daß die RUNTs bis zu einer Temperatur von ca. 300°C unverändert bleiben, danach anfangen, lokal die kristalline Struktur zu verlieren und zu oxidieren. Das Auftreten einer neuen Ramanlinie bei 200 cm-1 zeigt an, daß die RUNT-Wand sich in kristallines beta-Ga2O3 umwandeln läßt. Es bildet sich eine laterale Hybridstruktur aus einem Halbleitermaterial und einem Oxidmaterial, die mit konventionellen, epitaktischen Methoden nicht zu realisieren ist. Diese Ergebnisse lassen den Schluß zu, daß die RUNTs als Nanoreaktoren dienen können, um chemische Synthesen an beliebigen Stellen auf einer Probenoberfläche mit Hilfe von wohl positionierten RUNTs durchzuführen.

Der zweite Teil des Kapitels beschäftigt mit der potentiellen Anwendung der RUNTs in einer Mikro- und Nanotechnologie. Der erste Schwerpunkt in diesem Abschnitt behandelt den Flüssigkeitstransport in den aufgerollten MNOs. Mit einem Mikromanipulator werden wohl positionierte, einzelne RUNTs (Durchmesser 100 nm), die auf strukturierten Substraten hergestellt worden sind, mit einem Farbstoff (Rhodamin 6G in Ethanol) gefüllt. Ein starkes Fluoreszenzsignal im roten Spektralbereich wird von diesen gefüllten RUNTs beobachtet.

Im zweiten Schwerpunkt des Abschnitts wird das patentierte Konzept der Mikro- oder Nanospulen basierend auf RUNTs vorgestellt. Solche Strukturen lassen sich durch das Einrollen eines auf die Bischicht aufgebrachten Metallstreifens realisieren.

This work investigates the possibilities of the fabrication of self-organized nano-objects by releasing a thin layer from its. Furthermore, the work mostly focused on nanostructures evolving from two-dimensional layers by rolling-up, called rolled-up nanotubes (RUNTs). The topic includes the fabrication, first characterizations and potential applications in nanotechnology of these RUNTs.

Real-time video microscopy is applied to monitor the formation of rolled-up tubes. The roll-up distance as a function of etching time is therefore investigated. The roll-up process is highly nonlinear at the beginning, linear at an intermediate stage and saturates for long etching times. A statistical analysis, reveals that this saturation is a self-limiting effect, where the roll-up distance becomes independent of the etching time. The next step is the investigation of the formation of RUNTs as a function of sacrificial layer thickness and tube diameter. The experimentally determined etching velocity is well-described by a simple diffusion model. For RUNTs within the investigated diameter range, the roll-up velocity strongly depends on the sacrificial layer thickness but is independent of the tube diameter.

Optical lithography has been used to pattern the GaAs (001) substrates with deep trenches prior to MBE growth. The patterned substrates are then overgrown with a standard MBE growth sequence. The RUNTs form parallel to the patterned trench, clearly indicating that the trench acts as starting edge for the RUNT formation.

The next chapter investigates the structural properties of the rolled-up nanotubes. The first part shows the diameter scalability of the RUNTs. A detailed investigation of the RUNT diameters for different InGaAs/GaAs bilayers is performed. The concentration of Indium x is varied from x = 0.05 to x = 1, keeping the nominal thickness of the InGaAs and GaAs layer equal. The thickness of the InGaAs layer is extended to regimes, where InGaAs is known to form dislocation and islands. Surprisingly, bilayers with high crystal defect densities showed a good ability to roll up. The experimentally determined diameter as a function of the bilayer thickness is investigated and compared with theoretical expectations form continuum mechanical calcuklations. The experimentally determined RUNT diameters agree with the theory over a wide range of diameters, including RUNTs evolved from bilayer containing crystal defects. Asymmetrical InAs/GaAs bilayers with thicknesses between 0.7 nm to 5 nm have been studied as well. The experimental data agrees with the theoretical line for plane strain conditions

In the second part of this chapter, the wall structure of individual, free-standing, rolled-up InAs/GaAs nanotubes is investigated using μ-Raman spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM), and selected area electron diffraction. TEM images show that the wall structure of the RUNT exhibits alternating crystalline and non-crystalline layers. The Raman spectrum, obtained from a free-standing RUNT, shows only features that can be explained by the assumption that the RUNT wall consists of crystalline and noncyrstalline. In conclusion, the study reveals that the walls of the RUNTs consist of a radial superlattice comprising alternating crystalline and non-crystalline layers.

The last chapter deals with the functionalization of the. The first part describes experiments where individual RUNTs were locally heated with a laser beam and Raman spectroscopy was used in-situ to monitor the structural changes. Different Raman spectra with increasing laser power are shown. From the obtained spectra it is concluded that the heated part of a RUNT starts to oxidize at about 300°C and eventually transforms into crystalline b-Ga2O3. This result indicates that RUNTs can serve as nanoreactors to locally synthesize material at intentional places on a substrate surface. Activating this local reaction within the RUNT results in a laterally modulated hybrid structure of Ga(In)As and the large band gap material.

The next part of the chapter shows that RUNTs can be used for fluid transport and possibly be functionalized as a light emitting sources using organic dye solutions. Using ultra fine capillaries, single RUNTs are addressed and filled with an organic dye solution (Rhodamin 6G). A strong fluorescence signal of a dye-filled RUNT in the red spectral range.

The last section of the chapter introduces the patented concept of fabricating micro- and nanocoils using RUNTs. The concept is extended to construct transformers needing considerable less area on the chip than conventional planar inductors used in microtechnology. In this respect, coils based on RUNTs should be obtained by roll-up of a metal stripe processed on top of the strained. After roll-up the metal has to be contacted.