その場パルスレーザー射撃を介してMBE成長Ga液滴の容易なサイズ再分配を可能にする

はじめに

現在、基礎物理学と実用化の両方の発展が進んでいるため、人々がさまざまなデバイスを実現することは非常に求められています。金属ナノ粒子を適用することにより、さまざまなデバイスや構造を構築できることが広く実証されています[1,2,3,4,5]。重要な代表として、金属液滴（ナノ粒子）に基づく液滴エピタキシーは、小口らによって提案されて以来、世界中の研究の関心と努力を継続的に引き付けてきました。 [6] 1991年、量子ドット[7、8]、量子リング[9、10、11]、量子細線[12、13]を含むがこれらに限定されない、あらゆる種類の低次元ナノ構造をほぼカバーできるため。特に最近では、量子ドットペア[14、15]、量子ドット分子[16、17]、二重リング[18]、および複数の同心リング[19、20]のいくつかの非常に独特な構造も、液滴エピタキシーによってうまく実現されています。一般に、液滴エピタキシーは通常、2つのステップ、つまり金属液滴の予備形成とそれに続く結晶化を組み合わせたものです[21、22]。液滴形成の段階での液滴のサイズ制御は、量子構造の最終的なサイズを直接決定するだけでなく、液滴がどのようなナノ構造になるかを定義するため、液滴エピタキシー全体の重要なポイントです。たとえば、量子ドットと量子リングの間の高速切り替えは、液滴サイズを調整することによって敏感にトリガーでき、前述の複数の同心リングは、かなり大きなサイズのGa液滴のみに基づいて構築されます。よく報告されているように、温度は液滴のサイズを調整するための最も重要な要素であり、液滴を拡大するためには、温度を上昇させる必要があります[23、24]。通常、Fuster et al 。 は、温度を500°Cまで上げて、高さ45 nm、幅240nmの巨大なGa液滴を得ることに成功しました[25]。ただし、温度を上げると、基板への液滴エッチングが大幅に強化されます[26、27、28、29]。この種のナノドリルにより、液滴の元素はその後の結晶化の前に消費され、またナノホールの寄生構造が液滴の下に発達し、ターゲットの量子構造を汚染する可能性があります。 Zh。 M. Wang et al 。 は、ヒ素（As）を供給せずに500°Cで80秒間アニーリングした後にのみ、Ga液滴が完全に消失し、火山のようなナノホールに置き換わる可能性があることを証明しました[30]。明らかに、温度を上げると液滴が破壊される可能性がありますが、液滴を大きくするために人々はそうしなければなりません。これは、従来の液滴エピタキシーでは矛盾します。したがって、液滴サイズを変更するために、温度に依存しない技術を見つけることは非常に重要です。

この論文では、密度の元の形態を持つGa液滴：4.1×10 ¹⁰ / cm ² 、幅：37〜65 nm、高さ：4〜9 nmは、MBEを介してGaAs（001）基板（Sub）で生成され、すぐにUVパルスレーザーを使用して、準備されたままの表面をその場で撮影しました。印象的なことに、レーザー射撃は、液滴のサイズと LIR からのサイズ変更の関連する原理の適切な変更を行います。 体系的にも提示されます。照射後、液滴の高さと幅はそれぞれ1〜42 nmと16〜230 nmの範囲に広がります。つまり、幅が230 nm、高さが42nmの非常に大きな液滴を実現することに成功しました。 180°Cの非常に低い温度で直接。したがって、安全性と効率性の両方を備えた液滴のサイズを変更するための技術がここに報告されています。これは、現在の液滴エピタキシーにサイズ制御の大きな自由をもたらし、それをより実現可能で柔軟にする必要があります。

実験方法

実験は、パルスレーザービームをチャンバーにその場で導入するためのレーザービューポートを備えた特別に設計されたMBEで実行されました。現在、このプロトタイプシステムは、インジウム（In）、Ga、およびAsの3つのソースセルのみをインストールします。成長温度は、校正された高温計によって監視されます。成長を監視するために、反射高速電子線回折も含まれています。まず、脱酸したGaAs（001）2インチクォーターサブを、600°Cで300nmのGaAsバッファー層とAs ₂ のBEPでコーティングしました。 7.6×10 ^-6 に設定されています トル。次に、Asバルブを完全に閉じ、サブ温度を一時的に400°Cに設定して、過剰なAs原子が液体窒素コールドトラップに十分に捕捉されるのを待ち、その間、表面でのAsの吸収を回避しました。周囲圧力が約1.2×10 ^-9 に低下するまで 最高圧力とほぼ同じトル（（9.5〜11）×10 ^-10 Torr）は、残留As ₂ を回避するために成長前に取得できます。 、サブ温度をさらに180°Cに下げて、それぞれ0.168 ML / sのGa成長速度と4MLの総堆積厚さの液滴を形成しました。 Ga液滴の成長が終了するとすぐに、サンプルに、周波数が3倍になったネオジムイットリウムアルミニウムガーネットレーザー（波長：355 nm /パルス幅：10 ns）のモノビームのシングルショットのみをその場で照射しました。 35mJ。照射後、直ちにサンプルを取り出し、タッピングモードのAFMによる表面形態試験を行った。レーザースポット（6 mm /直径）は1/4 2インチサブよりもはるかに小さいため、両方の非照射領域（ NIR ）および照射領域（ IR ）まとめて比較することができます。 IR の場合 、レーザースポットはガウスのようなプロファイルの強度分布を持っているため、 IRIT の関数としての液滴の形態変化 このサンプルで一度に観察することができます。したがって、以下の説明では、照射-1（ IR1 ）として定義される5つの代表的な場所 ）照射-5（ IR5 ） IRIT で E の順序 _IR1 < E _IR2 < E _IR3 < E _IR4 < E _IR5 、 IR から選択されました 分析のために、レーザースポットに関連するそれらの正確な位置は、図1の上部の図に示されています。示されているように、 IR5 の位置 はレーザースポットの中心（0位置としてマーク）に対応し、右方向に直線的にスキャンし、0.5 mm移動するたびに、AFM画像を撮影しました（ IR4-IR1 に対応）。 順番通りに）。ついに、スポットの外に完全に移動し、 NIR として定義されたAFM画像を撮影しました。 （つまり、準備されたままのGa液滴の元の形態）

a の液滴のAFM形態の結果 NIR および b – f IR1-IR5 ;それぞれ（gおよびm） NIR の幅と高さの分布の対応するヒストグラム および（ h − l および n − r ） IR1-IR5 ;一番上の図は、 NIR の正確な位置を示しています および IR1-IR5 レーザースポットに関連する

結果と考察

図1a〜fは、 NIR の液滴のAFM形態の結果を示しています。 および IR1-IR5 、 それぞれ。 （g-l）と（m-r）は、幅と高さの分布の対応するヒストグラムです。液滴は180°Cという低い温度で製造されたため、 NIR （図1a）、元の密度は4.1×10 ¹⁰ に達します。 / cm ² 幅と高さはどちらも通常、45〜55 nmと4〜8 nmのドミナントモードで正規分布しています（それぞれ図1g、mに示されています）。最大サイズと最小サイズは、対応する〜65 nm幅/ 〜9 nm高さおよび〜37 nm幅/ 〜4nm高さです。 IR1 の液滴 （図1b） NIR と非常によく似ています 。図1hと（g）または（n）と（m）のいずれかを比較すると、明確な変化を区別することはできません。 IR1 の液滴 NIR と同じ最大サイズと最小サイズ 。 IR2 にいる間 （図1c）および IR3 （図1d）、液滴サイズはレーザー照射によって変更され始めます。密度が低下すると、いくつかの拡大した液滴が表面に現れます。特に IR3 の場合 、以前の最大幅（65 nm）を超える液滴は55％の割合を占め（図1j）、以前の最大高さを超える割合（図1p）に対応する37％を占めています。同時に、総密度は元の密度のわずか1/3に減少しました。全体として、レーザーのサイズ変更後、 IR2 のいずれかにおける液滴のサイズ分布 および IR3 は大きい側にのみシフトされます。つまり、 NIR の元の分布の小さい側に液滴はありません。 観察されます。ただし、 IR4 の液滴の場合 および IR5 、分布は大きい側にシフトするだけでなく、小さい側にも広がります。図1e、fは、 IR4 の結果を示しています。 および IR5 、密度の低下が続くと、図1k–lおよびq–rで、液滴サイズの分布がさらに大きい側にシフトしていることがわかります。特に IR5 、最大液滴（幅：230 nm /高さ：42 nm）は、 NIR の最大液滴（幅：65 nm /高さ：9 nm）のほぼ4倍です。 そして、そのような大きなサイズは、他の場所ではそれほど低い温度では報告されていません。さらに、元の最小サイズより下のいくつかの小さな液滴も生成され、それらのいくつかは、幅16 nm、高さ1nmの超小型のものですらあります。したがって、 IRIT を使用したGa液滴のレーザー修正の進化 は完全に観察され、レーザー撮影でGa液滴のサイズを簡単に変更できることをよく示しています。

上記の実験データを解釈するために、まず、 NIR から選択された5つの部分領域 および IR1-IR4 を拡大して図2a〜eにそれぞれ示します。次に、等価体積（ EV ）を追加で計算しました。 ） NIR のGa液滴の および IR1-IR5 。計算では、Ga液滴の断面プロファイルは球冠のモードとして近似的に仮定され[26]、各液滴の体積は次の式で与えられます

ここで r は液滴の半径、θは接触角で、それぞれ最後に EVs NIR の場合 および IR1-IR5 図1a〜fのすべての液滴の体積を対応して合計することによってカウントされました。図2fは、正規化された EV を示しています。 結果（三角形）と正規化された密度データ（正方形）も含まれています。次に、レーザーのサイズ変更の全体的な進化は、最初の段階（ NIR-IR1 ）の3つの段階に分けることができます。 ）： NIR の元の液滴 （図2a）スタンド間は非常に近く、各液滴の周囲は明確で平らです（図を参照）。これは図2a 'にスケッチされています。 IR1 の場合 （この場合、非常に低い強度で照射されます）、 NIR と比較して 、サイズ分布、密度、および EV はほとんど変化していませんが、図2bの白い矢印でマークされている液滴を囲むナノリングの新しい構造が観察されます。これは、レーザー加熱によって引き起こされた液滴の膨張に起因すると考えられます。図2b 'に示すように、照射後、レーザーは液滴を加熱して膨張させます（よく知られている熱膨張）。一方、交差が限られているため、膨張は液滴の合体を起こすほど強くはありません。熱が放散されると、液滴は弛緩して元の平衡状態に戻りますが、弛緩した液滴を取り囲むリングの形をした膨張の痕跡が残ります（黒い矢印を参照）。したがって、この段階では、 IRIT 液滴のサイズを変更するには弱すぎます。第2段階（ IR2-IR3 ）： IR2 の図2c 、液滴合体の実験的証拠が観察され、黄色の点線の長方形で指摘されています。マークされた液滴はナノホール（白い矢印）に隣接しており、 NIR のどれよりもはるかに大きいです。 サイズは幅70nm、高さ12nmです。これは、図2c 'に示すように2つの液滴が合体することで説明できます。A_液滴の場合 およびB _液滴 、 IRIT 増加すると、拡張が強化され、それらの間のクロスオーバーが増加し、クロス間のクロスが増えると、おそらくA _{ドロップレット}がプッシュされます。 B _{ドロップレット}にマージ したがって、ランダムに、A _液滴によって事前に開けられたナノホールが残ります。 同時に。 IR2 と比較しながら 、図2dの IR3 、3つの合体（黄色の点線の長方形/図2d 'を参照）またはさらに多くの液滴が発見されました。これは、レーザーのサイズ変更のより強力な効果を反映しています。したがって、 IR2 の場合 および IR3 、サイズ分布と密度の統計データは、合体の結果として説明することができます。さらに、図2fに示すように、両方の IR2 および IR3 同じ EV を維持する NIR と同じレベル 密度の急激な低下とは対照的です。つまり、この段階では、レーザー射撃は、Ga原子を失うことなく、熱膨張によって液滴のサイズを変更するだけです。ただし、 IR4-IR5 の第3段階では ： EV 液滴の数は急激に減少し始めます。 LIR 液滴を膨張させるだけでなく、Ga原子の熱蒸発も伴います。一度 IRIT ある値を超えると、パルスレーザーは瞬間的に液滴をGaの蒸発しきい値を超えて加熱する可能性があります。したがって、この段階での液滴のサイズ変更は、合体と蒸発によって共同管理されます。図2e 'は相互作用を示しています。合体が熱蒸発によるGaの損失を補償しない場合、液滴サイズは縮小し（図2eでマークされたミニ液滴を参照）、そうでない場合は増加します。特に、特定の確率で複数の液滴が合体することにより、いくつかの巨大な液滴が生成される場合があります（図2eでマークされた巨大な液滴を参照）。次に、この種の競争は、 IR4 のサイズシフトの理由を十分に説明できます。 および IR5 特に両側に広がります。これまでのところ、その場でパルス化された LIR による液滴のサイズ変更 パフォーマンスと原理の両方の観点から十分に調査されています。作業をより整理するために、以下ではさらに2つの計画実験を実施しました。

a に関して、それぞれAFM形態の倍率が得られます。 NIR および b – e IR1-IR4 および（ a の形態ダイナミクスの対応する図 ′） NIR および（ b ′– e ′） IR1-IR4 、便利な議論のために、各倍率の典型的な形態特性を持つ液滴が注意深く選択され、黄色の点線の長方形でマークされています。 f 図1a / NIR の液滴の正規化された密度と等価体積の結果 、図1b / IR1 、図1c / IR2 、図1d / IR3 、図1e / IR4 および図1f / IR5

一方では、 IRIT に加えて、熱膨張によって引き起こされる合体の説明の原則に従って 、液滴間距離、すなわち液滴の密度は、他の重要なパラメータです。図3aに示すように、2つの液滴をより大きなギャップ（d1からd2）で分離する場合、同じ熱膨張中に交差が減少するため、合体は比較的抑制されます。そのため、280°Cの温度で新しい液滴サンプルを準備しました。温度が上昇すると、 NIR の液滴密度 （図3b）は5×10 ⁹ に急速に減少します / cm ² 、180°Cでサンプルのほぼ1/8であり、液滴間の空間は効果的に増幅されています。照射後、図3cに見られるように、液滴は依然として NIR と同じ密度を持っています しかし、非常に注目に値する隣接するリングに囲まれています（白い矢印を参照）。これは、強い熱膨張があっても合体が実際に防止されていることを反映しており、したがって、説明をさらに強力に固めます。

a 2つの液滴間の合体に対する距離の影響の図解。 280°Cで成長した液滴のAFM形態の結果 b 前と c 照射後

一方、私たちの研究で観察されたナノホール（図4a）は非常に浅く、深さはサブナノメートル（3原子層未満）です（挿入図を参照）。非常に印象的なことに、液滴のドリル効果は厳密に抑制されており、サブ温度が低いことから恩恵を受けることはほとんど無視できます。液滴の温度が上昇するにつれてナノドリルの潜在的なリスクを提示するために、350°Cの高温で別のサンプルを作成しました。成長が終わった後、サブ温度はすぐには下がりませんでしたが、急速に冷える前にわずか2分の短い中断がありました。図4bは形態の結果を示しています。深刻なドリル効果が発生し、液滴がひどく破壊されていることがわかります。また、一部の液滴（矢印を参照）は完全に侵食され、エッチング深さが数ナノメートルのナノホールに置き換わっています（挿入図を参照）。それどころか、図4cに示されているように、180°Cで調製された液滴は、15分間の中断後も安定した状態を保つことができます。

a の液滴のAFM形態の結果 IR3 、 b 液滴は350°Cで成長し、その後同じ温度で c で2分間アニーリングしました。 液滴は180°Cで成長し、その後同じ温度で15分間アニーリングしました

結論

結論として、パルスレーザーによる180°CでのGa液滴のMBE in situ射撃に関する研究を実施し、レーザー射撃が液滴のサイズ分布を簡単かつ高効率に調整できることを実証しました。 IRIT の関数としての液滴の形態変化 慎重に研究され、関与するメカニズムも体系的に解明されています。照射レベルが低い場合、液滴サイズ分布は大きい側にのみシフトします。これは、液滴のレーザー熱膨張によって引き起こされる液滴合体の唯一の効果によって説明できます。高い照射レベルの場合、サイズシフトは特に両側に広がり、これは合体と熱蒸発の間の一種の競争に起因します。そこで、ここでは、パルスレーザー照射を使用して、液滴がサブにエッチングされるのをほぼ防ぐことができるような低温で液滴のサイズをその場で変更する技術を報告しました。どうやら、私たちの技術は、汚染、酸化、損傷のない、一般的な液滴エピタキシーソリューションと美しく互換性があります。そして、言及する価値があるのは、モノビーム照射をマルチビーム干渉照射にアップグレードすることにより、将来、より制御された液滴エピタキシーのための液滴サイズのパターン化された変更を容易に実現できることです。

データと資料の可用性

該当なし。