Self-assembled indium phosphide nanowires

This thesis deals with the self-assembled vapor-liquid-solid (VLS) growth and properties of InP nanowires, concentrating mainly on the novel catalyst-free growth of InP nanowires using in situ deposited indium droplets as seeds in metalorganic vapor phase epitaxy. The fabricated nanowires were characterized using scanning and transmission electron microscopy and continous-wave and time-resolved photoluminescence spectroscopy. All demonstrated nanowires have potential applications in nanophotonics and electronics. Epitaxial catalyst-free VLS growth of InP nanowires on (111)B InP substrates was demonstrated. The resulting distribution of vertical, freely standing nanowires is fairly homogeneous at an areal density of 109–1010 cm−2. An indium droplet without phosphorus at the nanowire tip indicates VLS growth. The average nanowire diameter (20–40 nm) and length (250–550 nm) as well as tapering can be controlled by adjusting the growth parameters. The same growth method was also shown to work to some extent for nanowire growth on silicon. The growth of ternary InAsP nanowires was briefly examined. The growth direction investigations included nanowire fabrication also on (111)A, (110), and (001) InP substrates. Electron microscopy analyses showed that the nanowire axis is parallel to 〈111〉B on all studied substrate orientations. The crystalline structure is mainly zinc-blende with a large number of twin stacking faults per unit length. Homoepitaxial catalyst-free-grown InP nanowires exhibit room temperature photoluminescence at 1.38 eV, blue shifted by about 30 meV from the band gap energy of cubic InP. Due to the large surface-to-volume ratio of the nanowires, the internal quantum efficiency for radiative carrier recombination is highly sensitive to surface conditions. The nanowires were passivated by hydrofluoric acid treatment which results in a 100-fold increase in the photoluminescence intensity, enabling the measurement of carrier recombination dynamics by means of time-resolved photoluminescence measurements. Double-exponential decay was observed, suggesting surface-related recombination processes. Finally, growth of InP nanowires using gold nanoparticle catalysts was studied. The photoluminescence and x-ray diffraction results suggest that the nanowires can crystallize in both cubic and hexagonal phases, depending on the growth temperature.Väitöskirja käsittelee InP-nanolankojen itseorganisoituvaa kasvua vapor-liquid-solid-menetelmällä (VLS). Tutkimus keskittyy uuteen katalyytittömään VLS-menetelmään, jossa alustakiteen pintaan muodostetaan indiumpisaroita organometallista kaasufaasiepitaksialaitteistoa käyttäen ilman muita prosessivaiheita. Nanolankojen karakterisointi tapahtuu pyyhkäisy- ja läpäisyelektronimikroskopian sekä jatkuvatoimisen ja ajasta riippuvan fotoluminesenssispektroskopian avulla. Tutkituilla nanolangoilla on potentiaalisia käyttökohteita nanofotoniikan ja -elektroniikan sovelluksissa. Työssä valmistettiin epitaksiaalisia InP-nanolankoja (111)B InP -alustakiteille katalyytitöntä VLS-menetelmää käyttäen. Valmistettujen homogeenisten ja pystysuorien nanolankojen pintatiheys on 109-1010 cm-2. Nanolankojen halkaisija (20-40 nm), pituus (250-550 nm) ja muoto on säädettävissä kasvatusparametrien avulla. Samalla menetelmällä valmistettiin myös In(As)P-nanolankoja piialustakiteen päälle. Nanolankojen kasvua tutkittiin myös (111)A, (110) ja (001) InP -alustakiteille. Kasvusuunnaksi havaittiin 〈111〉B alustakiteen orientaatiosta riippumatta. Nanolangat kiteyvät pääosin sinkkivälkehilaan, jossa havaitaan suuri määrä pinousvirheitä. Homoepitaksiaaliset katalyytittömällä VLS-menetelmällä valmistetut InP-nanolangat luminoivat huoneenlämpötilassa suoritetuissa fotoluminesenssimittauksissa energialla 1,38 eV, noin 30 meV kuutiollisen indiumfosfidin kiellettyä energiaväliä suuremmalla energialla. Nanolangan pinta-ala on suuri suhteessa sen tilavuuteen. Tämän takia pinnalla on suuri merkitys säteilevän rekombinaation hyötysuhteeseen. Fluorivetyhappokäsittely passivoi nanolankojen pintatilat, mikä nähtiin fotoluminesenssi-intensiteetin satakertaistumisena ja mikä mahdollisti rekombinaatiodynamiikan tutkimisen ajasta riippuvilla fotoluminesenssimittauksilla. Kaksoiseksponentiaalinen fotoluminesenssisignaalin vaimeneminen osoittaa pintatilojen edelleen vaikuttavan nanolankojen optisiin ominaisuuksiin. Työssä tutkittiin InP-nanolankojen valmistusta VLS-menetelmällä myös kultananopartikkelikatalyytein. Fotoluminesenssi- ja röntgendiffraktiotulosten perusteella nanolangat voivat kiteytyä kuutiolliseen tai heksagonaaliseen hilaan kasvatuslämpötilasta riippuen.reviewe