Activer une redistribution facile de la taille des gouttelettes Ga cultivées par MBE via le tir laser pulsé in situ

Introduction

Actuellement, avec le développement croissant de la physique fondamentale et des applications pratiques, il est très demandé aux personnes de réaliser divers dispositifs. Il a été largement démontré que divers dispositifs et structures peuvent être construits en appliquant des nanoparticules métalliques [1,2,3,4,5]. En tant que représentant important, l'épitaxie de gouttelettes qui est basée sur des gouttelettes métalliques (nanoparticules) a continuellement attiré des intérêts et des efforts de recherche dans le monde entier depuis qu'elle est proposée par Koguchi et al. [6] en 1991 car il peut couvrir presque toutes sortes de nanostructures de faible dimension, y compris, mais sans s'y limiter, les points quantiques [7, 8], les anneaux quantiques [9,10,11] et les fils quantiques [12, 13]. Particulièrement récemment, certaines structures très particulières de paires de points quantiques [14, 15], de molécules de points quantiques [16, 17], d'anneaux doubles [18] et d'anneaux concentriques multiples [19, 20] sont également réalisées avec succès par épitaxie de gouttelettes. Généralement, l'épitaxie de gouttelettes combine généralement deux étapes, à savoir la pré-formation de gouttelettes métalliques et la cristallisation ultérieure [21, 22]. Le contrôle de la taille des gouttelettes au cours de l'étape de formation des gouttelettes est un point clé pour l'ensemble de l'épitaxie des gouttelettes car il détermine non seulement la taille finale de la structure quantique directement, mais définit également le type de nanostructure que les gouttelettes viseront à devenir. Par exemple, un basculement rapide entre les points quantiques et les anneaux quantiques peut être déclenché de manière sensible en ajustant la taille des gouttelettes et les multiples anneaux concentriques susmentionnés sont exclusivement construits sur des gouttelettes de Ga de taille considérablement énorme. Comme cela est bien rapporté, la température est le facteur le plus essentiel pour ajuster la taille des gouttelettes, afin d'agrandir la gouttelette, la température doit augmenter [23, 24]. Typiquement, Fuster et al. a augmenté la température jusqu'à 500 °C pour obtenir avec succès une énorme gouttelette de Ga de 45 nm de hauteur et 240 nm de largeur [25]. Cependant, l'augmentation de la température intensifiera considérablement la gravure des gouttelettes dans le substrat [26,27,28,29]. Par ce type de nano-foret, les éléments des gouttelettes seront consommés avant la cristallisation ultérieure et également une structure parasite de nano-trou se développera sous la gouttelette qui pourra polluer la structure quantique cible. Zh. M. Wang et al. a prouvé que les gouttelettes de Ga pouvaient totalement disparaître et être remplacées par des nano-trous de type volcan seulement après un recuit à 500 °C pendant 80 s sans apport d'arsenic (As) [30]. Évidemment, augmenter la température peut détruire les gouttelettes, mais les pousser à devenir plus grosses oblige les gens à le faire, c'est une contradiction irréconciliable dans l'épitaxie traditionnelle des gouttelettes. Par conséquent, il est très important de trouver une technologie, indépendante de la température, pour modifier la taille des gouttelettes.

Dans cet article, Ga-gouttelettes, avec une morphologie originale de densité :4.1 × 10 ¹⁰ /cm ² , largeur :37-65 nm et hauteur :4-9 nm, ont été produits sur un substrat GaAs (001) (Sub) via MBE, puis nous avons immédiatement utilisé un laser à impulsions UV pour filmer in situ la surface telle que préparée. De manière impressionnante, le tir laser comporte une bonne modification de la taille des gouttelettes et le principe impliqué du redimensionnement à partir du LIR est également systématiquement présenté. Après irradiation, la hauteur et la largeur des gouttelettes s'élargissent à une plage de 1 à 42 nm et de 16 à 230 nm, respectivement, c'est-à-dire que nous avons réussi à obtenir des gouttelettes extrêmement énormes avec une largeur aussi longue que 230 nm et une hauteur aussi élevée que 42 nm directement à une température très basse de 180 °C. Ainsi, une technologie permettant de redimensionner les gouttelettes avec à la fois sécurité et efficacité est rapportée ici. Cela doit apporter une grande liberté de contrôle de la taille à l'épitaxie actuelle des gouttelettes et la rendre plus réalisable et flexible.

Méthodes expérimentales

Les expériences ont été réalisées sur un MBE spécialement conçu et équipé d'une fenêtre laser pour introduire in situ un faisceau laser pulsé dans la chambre. À l'heure actuelle, ce système prototype n'installe que trois cellules sources d'Indium (In), Ga et As. La température de croissance est contrôlée par le pyromètre qui est calibré. Pour surveiller la croissance, la réflexion par diffraction d'électrons à haute énergie est également comprise. Tout d'abord, un quart de Sub de 2 pouces GaAs (001) désoxydé a été recouvert d'une couche tampon GaAs de 300 nm à 600 °C et le BEP d'As₂ est défini sur 7,6 × 10 ⁻⁶ Torr. Ensuite, la vanne d'As a été complètement fermée et la température de Sub a été réglée temporairement à 400 °C pour attendre que les atomes d'As en excès soient suffisamment capturés par le piège à froid d'azote liquide et, pendant ce temps, pour éviter l'absorption d'As à la surface. Jusqu'à ce que la pression ambiante de l'As soit réduite à environ 1,2 × 10 ⁻⁹ Torr qui est presque le même que la meilleure pression ((9.5 ~ 11) × 10 ⁻¹⁰ Torr) qui peut être obtenu avant croissance pour éviter l'As₂ résiduel , la température Sub a été encore diminuée à 180 °C pour former les gouttelettes respectivement avec un taux de croissance de Ga de 0,168 ML/s et une épaisseur totale de dépôt de 4 ML. Dès que la croissance des gouttelettes de Ga a été terminée, l'échantillon a été irradié in situ par un seul tir de mono-faisceau d'un laser à grenat d'aluminium et de néodyme yttrium triplé (longueur d'onde : 355 nm/durée d'impulsion :10 ns) avec une énergie de 35 mJ. Après irradiation, l'échantillon est immédiatement prélevé pour subir le test de morphologie de surface par AFM en mode taraudage. Parce que le point laser (6 mm/Diamètre) est beaucoup plus petit que le Sub 1/4 2 pouces, les deux régions non irradiées (NIR ) et région irradiée (IR ) peuvent être rassemblés pour comparer. Pour le RI , du fait que le spot laser a une distribution d'intensité profilée de type gaussienne, l'évolution de la morphologie de la goutte en fonction de l'IRIT peuvent être observés d'un seul coup sur cet échantillon. Ainsi, dans la discussion suivante, cinq emplacements représentatifs, définis comme irradiation-1 (IR1 ) à l'irradiation-5 (IR5 ) dans l'IRIT ordre de E _IR1 < E _IR2 < E _IR3 < E _IR4 < E _IR5 , ont été sélectionnés dans le IR pour l'analyse et leurs positions exactes par rapport au point laser sont indiquées dans le dessin du haut de la figure 1. Comme indiqué, la position de IR5 correspond au centre du spot laser (marqué comme position 0), puis nous avons balayé linéairement vers la droite, après chaque mouvement de 0,5 mm, une image AFM a été prise (correspondant à IR4-IR1 en séquence). Enfin, nous nous sommes complètement déplacés en dehors du spot et avons pris l'image AFM définie comme NIR (c'est-à-dire la morphologie originale des gouttelettes de Ga telles que préparées).

Résultats de la morphologie AFM des gouttelettes dans a NIR et b –f IR1-IR5; les histogrammes correspondants de distribution de largeur et de hauteur respectivement en (g et m) NIR et (h −l et n −r ) IR1-IR5; le dessin du haut montre les positions exactes de NIR et IR1-IR5 lié au spot laser

Résultats et discussion

Les figures 1a–f présentent les résultats de la morphologie AFM des gouttelettes en NIR et IR1-IR5 , respectivement. (g-l) et (m-r) sont les histogrammes correspondants de la distribution de la largeur et de la hauteur. Étant donné que les gouttelettes ont été fabriquées à une température aussi basse que 180 °C, en NIR (Fig. 1a), la densité d'origine atteint jusqu'à 4,1 × 10 ¹⁰ /cm ² et la largeur et la hauteur sont toutes deux généralement distribuées gaussiennes avec un mode dominant de 45 à 55 nm et de 4 à 8 nm (respectivement illustré sur la figure 1g, m). Les tailles maximale et minimale correspondent  ~ 65 nm de large/ ~ 9 nm de haut et  ~ 37 nm de large/ ~ 4 nm de haut. Les gouttelettes dans IR1 (Fig. 1b) ressemble beaucoup au NIR . Il n'y a pas de changements distincts pouvant être distingués par rapport à la Fig. 1h et (g) ou (n) et (m). Les gouttelettes dans IR1 avoir la même taille maximale et minimale avec le NIR . En IR2 (Fig. 1c) et IR3 (Fig. 1d), la taille des gouttelettes commence à être modifiée par le tir laser. Des gouttelettes agrandies émergent à la surface avec une réduction de la densité. Surtout pour IR3 , les gouttelettes au-delà de l'ancienne largeur maximale (65 nm) ont représenté une proportion de 55 % (Fig. 1j) et correspondant à 37 % pour la proportion au-delà de l'ancienne hauteur maximale (Fig. 1p). Dans le même temps, la densité totale a été réduite à seulement 1/3 de la densité d'origine. Globalement, après le redimensionnement au laser, la distribution de la taille des gouttelettes dans l'un des IR2 et IR3 est uniquement déplacé vers le grand côté, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de gouttelettes sur le petit côté de la distribution d'origine en NIR sont observés. Cependant, pour les gouttelettes dans IR4 et IR5 , les distributions non seulement se déplacent vers le grand côté, mais s'étendent également vers le petit côté : Fig. 1e, f affiche les résultats de IR4 et IR5 , avec une réduction continue de la densité, il est clair de voir sur les Fig. 1k–l et q–r que les distributions de la taille des gouttelettes sont encore décalées vers le grand côté. Particulièrement en IR5 , la gouttelette maximale (largeur :230 nm/hauteur :42 nm) est presque quatre fois plus grande que la gouttelette maximale (largeur :65 nm/hauteur :9 nm) en NIR et une si grande taille n'est pas signalée ailleurs à une température si basse. En outre, quelques petites gouttelettes en dessous de la taille minimale d'origine sont également générées et certaines d'entre elles sont même ultra-mini uniquement avec une largeur de 16 nm et une hauteur de 1 nm. Ainsi, l'évolution de la modification laser des gouttelettes de Ga avec IRIT est complètement observé et cela démontre bien que le tir laser peut facilement redimensionner les gouttelettes de Ga.

Afin d'interpréter les données expérimentales ci-dessus, tout d'abord, cinq zones partielles sélectionnées à partir du NIR et IR1-IR4 sont agrandies et illustrées sur les Fig. 2a–e, respectivement. Deuxièmement, nous avons calculé en plus le volume équivalent (EV ) des gouttelettes de Ga en NIR et IR1-IR5 . Dans le calcul, le profil de section de la gouttelette de Ga est approximativement supposé comme le mode de la calotte sphérique [26], puis le volume de chaque gouttelette peut être donné par

où r est le rayon de la gouttelette et est l'angle de contact, respectivement, enfin les EVs pour le NIR et IR1-IR5 ont été comptés en additionnant le volume de toutes les gouttelettes de la Fig. 1a–f en conséquence. La figure 2f montre l'EV normalisé les résultats (triangles) et les données de densité normalisées (carrés) sont également inclus. Ensuite, toute l'évolution du redimensionnement laser pourrait être divisée en trois étapes :à la première étape (NIR-IR1 ) :Les gouttelettes d'origine en NIR (Fig. 2a) inter-stand très proche et l'entourage de chaque goutte est clair et plat (voir le dessin) qui est esquissé sur la Fig. 2a′. Pour IR1 (où est irradié par une intensité assez faible), en comparaison avec le NIR , la distribution granulométrique, la densité et l'EV sont presque inchangés, mais une structure émergente de nano-anneau est observée pour entourer les gouttelettes qui est marquée par les flèches blanches sur la Fig. 2b. Nous l'attribuons à l'expansion des gouttelettes induite par le chauffage laser. Comme le montre la figure 2b′, après l'irradiation, le laser va chauffer les gouttelettes pour se dilater (la dilatation thermique bien connue). Alors que l'expansion n'est pas assez forte pour faire coalescence des gouttelettes en raison de l'intercroisement limité. Au fur et à mesure que la chaleur se dissipe, les gouttelettes se détendront pour revenir à l'état d'équilibre d'origine mais en laissant des traînées d'expansion qui ont la forme d'un anneau encerclant la gouttelette relâchée (voir la flèche noire). Par conséquent, à cette étape, l'IRIT est trop faible pour redimensionner les gouttelettes ; au deuxième étage (IR2-IR3 ) :dans la figure 2c pour IR2 , la preuve expérimentale de la coalescence des gouttelettes est observée et signalée par un rectangle en pointillé jaune. La gouttelette marquée est voisine d'un nano-trou (flèche blanche) et elle est beaucoup plus grande que n'importe quel NIR avec une taille de 70 nm de large et 12 nm de haut. Ceci peut s'expliquer par la coalescence de deux gouttelettes comme le montre la Fig. 2c′ :pour A_gouttelette et B_gouttelette , avec l'IRIT en augmentant, l'expansion est améliorée, ce qui entraîne plus de croisement entre eux, puis plus l'inter-croisement poussera probablement une _gouttelette fusion dans B_gouttelette laisse donc aléatoirement un nano-trou pré-percé par A_gouttelette en même temps. Par rapport à IR2 , dans la Fig. 2d pour IR3 , une coalescence de trois (voir rectangle en pointillé jaune/Fig. 2d′) ou encore plus de gouttelettes sont découvertes, ce qui reflète un effet plus fort du redimensionnement laser. Ainsi, pour IR2 et IR3 , les données statistiques de distribution de taille et de densité pourraient être expliquées par la coalescence. De plus, comme le montre la figure 2f, les deux IR2 et IR3 garder toujours le même EV niveau avec NIR contrairement à la forte réduction de la densité. Cela signifie qu'à ce stade, le tir laser ne redimensionne les gouttelettes que par dilatation thermique sans perte d'atomes de Ga. Cependant, à la troisième étape de IR4-IR5 :le EV de gouttelettes commence à diminuer fortement. Il indique que le LIR va non seulement dilater les gouttelettes, mais aussi accompagner l'évaporation thermique des atomes de Ga. Une fois l'IRIT dépasse une certaine valeur, le laser pulsé peut chauffer instantanément la goutte au-dessus du seuil d'évaporation de Ga. Ainsi, le redimensionnement des gouttes à cette étape est co-gouverné par la coalescence et l'évaporation. La figure 2e′ illustre l'interaction :si la coalescence ne compense pas la perte de Ga par évaporation thermique, la taille des gouttelettes rétrécira (voir la mini gouttelette marquée sur la figure 2e) et sinon, elle augmentera. En particulier, d'énormes gouttelettes peuvent être produites (voir l'énorme gouttelette marquée sur la figure 2e) par coalescence de plusieurs gouttelettes sous une certaine probabilité. Alors ce genre de concurrence peut bien expliquer pourquoi le changement de taille de IR4 et IR5 s'élargit spécialement des deux côtés. Jusqu'à présent, redimensionnement des gouttelettes par LIR pulsé in-situ a été bien étudiée du point de vue à la fois de la performance et du principe. Pour rendre le travail plus bien organisé, nous avons effectué ci-dessous deux autres expériences planifiées.

Grossissements du résultat de la morphologie AFM respectivement concernant a NIR et b –e IR1-IR4 et les dessins correspondants de la dynamique morphologique pour (a ′) NIR et (b ′–e ′) IR1-IR4 , pour une discussion pratique, les gouttelettes avec la propriété de morphologie typique de chaque grossissement sont soigneusement sélectionnées et marquées par des rectangles en pointillés jaunes ; f Densité normalisée et résultats de volume équivalent des gouttelettes de la Fig. 1a/NIR , Fig. 1b/IR1 , Fig. 1c/IR2 , Fig. 1d/IR3 , Fig. 1e/IR4 et Fig. 1f/IR5

D'une part, selon le principe de notre explication de la coalescence induite par dilatation thermique, outre l'IRIT , la distance inter-goutte, c'est-à-dire la densité de la goutte, est l'autre paramètre clé. Comme le montre la figure 3a, si nous séparons deux gouttelettes dans un intervalle plus grand (de d1 à d2), la coalescence devrait être relativement inhibée en raison de l'inter-croisement réduit au cours de la même dilatation thermique. Par conséquent, nous avons préparé un nouvel échantillon de gouttelettes à la température de 280 °C. À mesure que la température augmentait, la densité des gouttelettes de NIR (Fig. 3b) diminue rapidement jusqu'à 5 × 10 ⁹ /cm ² , près de 1/8 de l'échantillon à 180 °C et l'espace entre les gouttelettes a été amplifié efficacement. Après irradiation, comme le montre la figure 3c, les gouttelettes ont toujours la même densité que le NIR mais sont entourés d'anneaux adjacents très remarquables (voir flèches blanches). Cela reflète que la coalescence est en effet empêchée même avec une forte dilatation thermique et renforce ainsi puissamment notre explication.

un Illustration graphique de l'effet de l'interdistance sur la coalescence entre deux gouttelettes; Résultats morphologiques AFM des gouttelettes cultivées à 280 °C b avant et c après irradiation

En revanche, il convient de souligner que les nano-trous (Fig. 4a) observés dans notre travail sont très peu profonds avec des profondeurs sub-nanométriques (moins de trois couches atomiques) (voir l'encadré). De manière impressionnante, l'effet de forage des gouttelettes est strictement supprimé et pourrait être presque négligé, ce qui profite à la basse température de la sous-température. Pour présenter le risque potentiel de nano-forage lorsque la température des gouttelettes augmente, nous avons fabriqué un autre échantillon à une température élevée de 350 °C. Une fois la croissance terminée, la température secondaire n'a pas diminué immédiatement, mais avec une courte interruption de seulement 2 min avant un refroidissement rapide. La figure 4b montre le résultat de la morphologie, nous avons pu constater qu'un effet de forage sérieux s'est produit et qu'il a gravement détruit les gouttelettes. Et certaines gouttelettes (voir flèches) sont même complètement érodées et remplacées par des nano-trous d'une profondeur de gravure de plusieurs nanomètres (voir l'encart). Au contraire, comme le suggère la figure 4c, les gouttelettes préparées à 180 °C peuvent toujours rester stables après une interruption pouvant atteindre 15 min.

Résultats de la morphologie AFM des gouttelettes dans a IR3 , b les gouttelettes ont poussé à 350 °C suivi d'un recuit de 2 min à la même température et c les gouttelettes ont poussé à 180 °C suivi d'un recuit de 15 min à la même température

Conclusions

En conclusion, nous avons mené une recherche sur le tir in situ MBE sur les gouttelettes de Ga à 180 °C par laser pulsé et démontré que le tir au laser peut facilement et très efficacement ajuster la distribution de la taille des gouttelettes. L'évolution de la morphologie de la goutte en fonction de l'IRIT est soigneusement étudié et le mécanisme impliqué est également systématiquement clarifié :pour un faible niveau d'irradiation, la distribution de la taille des gouttelettes est uniquement décalée vers le grand côté ce qui peut s'expliquer par le seul effet de coalescence des gouttelettes induit par l'expansion thermique laser des gouttelettes; Alors que pour un niveau d'irradiation élevé, le changement de taille s'étendra spécialement aux deux côtés et cela résulte d'une sorte de compétition entre la coalescence et l'évaporation thermique. Ainsi, ici, nous avons signalé une technologie utilisant une irradiation laser pulsée pour redimensionner in situ les gouttelettes à une température si basse qui peut presque empêcher les gouttelettes de graver dans le Sub. Apparemment, notre technologie est parfaitement compatible avec la solution d'épitaxie de gouttelettes commune, exempte de pollution, d'oxydation et de dommages. Et ce qui vaut la peine de mentionner, c'est qu'en transformant l'irradiation mono-faisceau en irradiation interférentielle multi-faisceaux, nous pouvons facilement réaliser une modification par motif de la taille des gouttelettes pour une épitaxie des gouttelettes plus contrôlée à l'avenir.

Disponibilité des données et des matériaux

Non applicable.