Nanofios semicondutores III-V baseados em Ga : crescimento, novos catalisadores e propriedades ópticas

Orientadores: Mônica Alonso Cotta, Fernando IikawaTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb WataghinResumo: Na primeira parte desta tese, apresentamos um estudo do crescimento de nanofios de fosfeto de gálio (GaP) catalisados por Au e crescidos por epitaxia de feixe químico. Mostramos que a nanopartícula pode se tornar instável, movendo-se na direção ±[110], dependendo das condições de crescimento. Apresentamos várias indicações do impacto desse fenômeno na morfologia dos nanofios, tais como a formação de uma nanoestrutura assimétrica. Além disso, essas nanoestruturas apresentam a fase hexagonal (Wurtzita) com baixa densidade de defeitos cristalográficos extendidos. A fase hexagonal no GaP foi prevista como um material de band gap direto com emissão na faixa espectral visível. No entanto, até o momento, existem poucas evidências experimentais sobre algumas informações básicas desse material relativamente novo. Assim, na segunda parte da tese, apresentamos uma série de dados de medidas ópticas obtidos por diversas técnicas, a fim de elucidar o valor exato do band gap fundamental, emissão excitônica e energias do splitting das bandas de valência. Nossos dados indicam a existência de um band gap óptico em 2.19 eV a 10 K, bem como um comportamento de band gap pseudo-direto, ou seja, uma transição eletrônica quase proibida por dipolo elétrico. Além disso, a partir desses dados propomos a origem e a natureza de impurezas não intencionais incorporadas no GaP, bem como de alguns defeitos pontuais, que apresentaram comportamentos ópticos distintos de acordo com as condições de crescimento. Por último, uma vez que o uso de ouro como catalisador tem alguns aspectos indesejados no crescimento de nanofios, além de não ser a melhor opção para a integração de nanofios de semicondutores III-V na tecnologia baseada em silício, analisamos catalisadores alternativos para o crescimento de nanofios de fosfeto de gálio (GaP) e arseneto de gálio (GaAs), tais como níquel (Ni) e estanho (Sn). Mostramos que o Ni pode ser usado com sucesso como catalisador em condições semelhantes relatadas para o ouro. No entanto, a dinâmica do crescimento tem uma mudança dramática, levando a nanoestruturas com características muito diferentes daquelas crescidas com o ouro, como a direção de crescimento . Além disso, nanofios de alta razão de aspecto, dificilmente obtidos para compostos baseados em Ga catalisados por Au em nosso sistema CBE, devido à difusão superficial mais lenta do Ga e sua menor solubilidade em Au, podem ser crescidos em Si (100), apresentando emissões opticas adicionais não observadas em nanofios crescidos com AuAbstract: In the first part of this thesis, we present a study of the growth of gallium phosphide (GaP) nanowires catalyzed by Au and grown by chemical beam epitaxy. We show that the nanoparticle can become unstable, moving in the ± [110] direction, depending on growth conditions. We present several indications of the impact of this phenomenon on the nanowire morphology, such as the formation of an asymmetric nanostructure. Furthermore, these nanostructures present the hexagonal phase (Wurtzite) with low density of extended crystallographic defects. The hexagonal phase in GaP was predicted as a direct band gap material with emission in the visible spectral range. However, up to date, there is little experimental evidence about some basic information from this relatively new material. Thus, in the second part of the thesis, we present a series of optical measurement data obtained by different techniques, in order to elucidate the exact value of the fundamental band gap, excitonic emission and splitting energies of the valence bands. Our data indicate the existence of an optical band gap at 2.19 eV at 10 K, as well as a pseudo-direct band gap behavior, that is, an electronic transition almost prohibited by electric dipole. In addition, from these data we propose the origin and nature of unintentional impurities incorporated in the GaP, as well as some specific defects, which showed different optical behaviors according to the growth conditions. Finally, since the use of gold as a catalyst has some unwanted aspects in the growth of nanowires, besides not being the best option for the integration of III-V semiconductor nanowires in silicon-based technology, we analyze alternative catalysts for growth gallium phosphide (GaP) and gallium arsenide (GaAs) nanowires, such as nickel (Ni) and tin (Sn). We show that Ni can be used successfully as a catalyst under similar conditions reported for gold. However, the dynamics of growth have changed dramatically, leading to nanostructures with very different characteristics from those grown with gold, such as the direction of growth . In addition, nanowires of high aspect ratio, difficult to obtain for Ga-based compounds catalyzed by Au in our CBE system, due to the lower surface diffusion of Ga and their lower solubility in Au, can be grown in Si (100), presenting additional non-optical emissions observed in nanowires grown with AuDoutoradoFisica AplicadaDoutor em Ciências15/24271-91583273/2016FAPESPCAPE