Heterostructured GaAs/GaAsSb nanowires characterized by scanning precession electron microscopy

Abstract

III-V halvleder nanotråder kan være basisen for fremtidens optoelektroniske enheter. For å omptimalisere syntesen og egenskaper må strukturelle karakteristikker bestemmes. I denne oppgaven har krystall strukturen, orientering, komposisjon og mekaniske spenninger i krystallstrukturen for GaAs/GaAsSb nanotråder blitt studert. Til dette blir konvensjonelle transmisjons elektron mikroskopi (TEM) teknikker brukt som inkluderer høyoppl-øsnings transmisjons elektron mikroskopi (HRTEM), lysefelts (BF) og mørkefelts (DF) bilder og selektivt område elektron diffraksjon teknikker for strukturell karakterisering. Nanotrådene opptrer i både zink-blende og wurtzite struktur som hver har sine typiske stable feil. De samme nanostrukturene kan bli studert med skannende (presesjons) elektron diffraksjon (S(P)ED). Denne prosedyren samler en stabel med diffraksjonsmønster ved å skanne det studerte materialet med en fokusert (preseserende) elektron stråle på størrelse med noen få nm. Strukturelle karakteristikker kan da bli funnet gjennom prosessering av dataen ved hjelp av rutiner som er tilgjengelige i en åpen kilde kode kalt pyXem. Konvensjonelle TEM teknikker utkonkurrerer S(P)ED når det kommer til høy oppløsning gjennom HRTEM bilder. S(P)ED derimot kan gjøres over større områder og halv-automatiske prosedyrer kan brukes for å studere krystall faser og orienteringer. Etterbehandling av samlet data gir fleksibilitet, gjennom for eksempel virtuell mørkefelt relativt den konvensjonelle mørkefelt metoden i en TEM. SPED dataen kan bukes til sammenligning med mal, hvor diffraksjonsmønstrene sammenlignes mot simulerte kandidat faser, og uovervåket maskinlæring som ikke er mulig med konvensjonelle TEM teknikker. Analysen av større områder kan derimot få problemer når nanotrådene er bøyd. Mengden data som kan hentes i etterbehandlings rutiner fra en enkelt skanning gjør at SPED er et verdifullt verktøy for krystall karakterisering på nm nivå.

Mekaniske spenninger i krystallstrukturen ved heterostrukturer påvirker materialets egenskaper men er ikke enkle å tallfeste med konvensjonelle TEM teknikker. Fra SPED data kan dette bli analysert fra relative forflytninger av bestemte refleksjoner i dataen. I denne studien blir målinger av mekanisk spenning i krystallstrukturen rundt aksialt innsatte heterostrukturer av GaAsSb i GaAs nanotråder utført. Eksperimentelle verdier som konvergens vinkel til elektron strålen, kamera lengde, orientering og valg av refleksjoner vil bli systematisk variert for å bestemme hvilke innstillinger som resulterer i best resultat. Det blir funnet at presesjon og en liten konvergens vinkel gir refleksjoner med en mer uniform intensitet som er avgjørende for å bestemme sub-pixel posisjonen for en refleksjon gjennom en massesenter metode. Ved å bruke refleksjoner så langt ute i det resiproke rom som mulig, før signalet blir for svakt oppnås bedre resultater. Av denne grunn er det forventet at bedre resultater kan oppnås med en større direkte elektron detektor hvor det vil være mindre støy sammenlignet med den indirekte metoden som blir brukt i denne studien fra en fluorescende skjerm ved hjelp av et optisk kamera.

III-V semiconductor nanowires can be the basis for future optoelectronic devices. To optimise the synthesis and properties, the structural characteristics have to be determined. In this thesis the crystal structure, orientation, composition and strain in heterostructured GaAs/GaAsSb nanowires are studied. Conventional transmission electron microscopy (TEM) techniques are applied including high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) imaging, bright-field (BF) and dark-field (DF) imaging and selective area electron diffraction techniques for structural characterisation. The nanowires include both the zink-blende and the wurtzite structure, each with typical stacking faults. The same nanostructures can be studied by scanning (precession) electron diffraction (S(P)ED). This collects a stack of diffraction patterns by raster scanning the studied material with a nm-sized, focused (precessed) electron beam probe. Structural characteristics can then be obtained by using post-processing routines available in the open-source pyXem package. The conventional TEM imaging techniques outperforms the S(P)ED routine when a high spatial resolution is central through HRTEM imaging. However, S(P)ED allows for large areas to be studied and semiautomatic analysis of crystal phases and crystal orientations to be used. Post processing gives flexibility, as for example in virtual dark-field imaging relative to conventional dark-field imaging in the TEM. The SPED data stacks allow for template matching against candidate phases and unsupervised machine learning which are not possible for conventional TEM. The analysis of larger areas however is hampered by bending of the nanowires. Overall the amount of data that can be extracted in post-processing routines from a single scan make it a valuable tool for crystal characterisation at the nm-scale.

Strain at heterostructure interfaces affect the materials properties but are not easy to quantify using conventional TEM techniques. From SPED data stacks, the strain can be analysed from relative shifts in selected reflections in these data stacks. In this study strain measurements are performed around axially inserted heterostructures of GaAsSb in GaAs nanowires. Experimental conditions like beam convergence angle, camera length, orientation and choice of reflections are systematically varied to determine which settings result in the most trustworthy strain maps. It is found that, precession and a small convergence angle result in reflections with a more even intensity which is crucial for determining the sub-pixel position of a reflection through a center-of-mass approach. Using reflections as far out in reciprocal space as possible before the signal-to-noise limits the final results are found to be optimum. For this reason improved results are expected through the use of a larger direct electron detector with less noise compared to acquiring patterns indirectly as done in the present study by images from a fluorescence screen using an optical camera.