Transmission electron microscopy based characterization of CdTe–HgTe core–shell semiconductor nanowires

Abstract

Denne avhandlingen rapporterer resultatene fra tøyningskartlegging på heterostrukturerte CdTe–HgTe kjerne–skallnanotråder, tiltenkt å fungere som kvasiendimensjonale topologiske isolatorer. Tøyningskartlegging har blitt utført ved bruk av den transmisjonselektronmikroskopibaserte teknikken skannende presesjonselektrondiffraksjon (SPED), og funnene har blitt sammenliknet med resultater oppnådd med den mer veletablerte tøyningskartlegginsteknikken geometrisk faseanalyse (GPA). I tillegg har nanotrådene blitt klassifisert i henhold til morfologi, krystallografi og defekter ved bruk av konvensjonelle transmisjonselektronmikroskopiteknikker som lysfeltavbildning, valgt-område elektrondiffraksjon og høyoppløselig transmisjonselektronmikroskopiavbildning – i tillegg til virtuelle avbildningsteknikker brukt på innsamlede SPED-datasett.

SPED-data har blitt samlet inn med to mikroskopinnstillinger, og effekten av konvergensvinkelen på de resulterende tøyningskartene har blitt undersøkt. Videre har forskjellige databehandlingsprosedyrer blitt utført, blant annet høypass-filtrering og terskelering. Mikroskopinnstillinger som gav en liten konvergensvinkel ble funnet til å gi tøyningskart av høyest kvalitet. SPED-diffraksjonsmønstre oppnådd med større konvergensvinkel led av intensitetsvariasjoner som tilslørte tøyningskartene, og terskelering visket ikke ut variasjonene tilstrekkelig.

Når det gjelder krystallografi, ble nanotrådene funnet å ha sinkblendestruktur, og de to vekstretningene <111> og <112> var til stede i nanotrådensemblet. Defekter av ulik natur ble oppdaget, blant annet tvillingdefekter og stablingsfeil. SPED-tøyningskart fra ulike nanotråder viste en total negativ endring i gitterparameter på 0,3–0,5% når man beveger seg fra CdTe-kjernen til HgTe-skallet. Endringen i gitterparameteren skjedde gradvis, med et område med komprimerende tøyning over kjerne–skallgrenseflaten. Tøyningskart oppnådd med GPA var i samsvar med hovedtrekkene i SPED-stammekartene, men de to metodene samsvarte ikke når de ble sammenliknet på en passende skala. Resultatene er nye, og fungerer som et grunnlag for videre forskning på tøyning i CdTe–HgTe kjerne–skallnanotråder.

This thesis reports on the results of strain mapping on heterostructured CdTe–HgTe core–shell nanowires, intended to serve as quasi one-dimensional topological insulators. Strain mapping has been performed using the transmission electron microscopy (TEM) based technique scanning precession electron diffraction (SPED), and the findings have been compared with results obtained from the more well-established strain mapping technique geometrical phase analysis (GPA). Additionally, the nanowires have been classified according to morphology, crystallography and defects using conventional TEM techniques such as bright-field imaging, selected-area electron diffraction and high-resolution TEM imaging – as well as virtual imaging techniques applied to recorded SPED datasets.

SPED data have been collected with two microscope settings, and the effect of the convergence angle on the resulting strain maps has been investigated. Moreover, different data processing procedures have been carried out, including high-pass filtering and thresholding. Microscope settings yielding a small convergence angle were found to give the highest quality strain maps. SPED patterns obtained with a larger convergence angle suffered from intensity variations that obscured the strain maps, and thresholding did not sufficiently even out the intensities.

In terms of crystallography, the nanowires were found to have the zincblende structure, and the two growth directions <111> and <112> were present in the nanowire ensemble. Defects of various kinds were detected, including twin defects and stacking faults. SPED strain maps obtained from different nanowires agreed upon a total negative change in lattice parameter of 0.3–0.5% when moving from the CdTe core to the HgTe shell. The change in lattice parameter was gradual, with a region of compressive strain across the core–shell interface. Strain maps obtained with GPA agreed upon the main features of the SPED strain maps, but the two methods failed to be consistent when compared at an appropriate scale. The results are novel, and serve as a foundation for further research on strain in CdTe–HgTe core–shell nanowires.