Study on growth of epitaxial single domain tin-telluride and epitaxial antimony on silicon and sputter-grown bismuth-tin-telluride nanowhiskers

• Wachstumsuntersuchung von epitaktischem Zinntellurid und epitaktischem Antimon auf Silizium und gesputterten Bismut-Zinn-Tellurid Nanowhiskern

Wirtssohn, Matti; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Waser, Rainer (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Diese Arbeit befasst sich mit Dünnfilmtechnologie. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Betrachtung von Wachstum und Charakterisierung von verschiedenen Dünnfilm-Systemen auf Silizium. Inhaltlich lässt sich diese Arbeit daher in folgende Abschnitte gliedern:1. Epitaktisches Wachstum von SnTe(001) auf Si(111)2. Epitaktisches Wachstum von Sb(0001) auf Si(111)3. Sputter-deponierte Bismut-Zinn-Tellurid-Nanowhiskers. Die ersten beiden Abschnitte behandeln hauptsächlich das Wachstum und die strukturelle Charakterisierung der oben angeführten Materialien. Im dritten Abschnitt steht jedoch nicht der Wachstumsprozess im Mittelpunkt, sondern die Handhabung der gesputterten Nanowhisker. Die Untersuchung auf mögliche Eignung für weitere Prozessierung und Charakterisierung steht hier im Vordergrund. Der Wachstumsprozess von epitaktischem SnTe(001) auf Si(111)−$\sqrt3$×$\sqrt3$−R30°−Sb terminierten Oberflächen wird untersucht. Die Kombination der dreifachen Symmetrie der Si(111) Substratoberfläche mit der vierzähligen Symmetrie des kubischen SnTe(001) sollte erwartungsgemäß zu einer zwölfzähligen Symmetrie mit mindestens drei energetisch äquivalenten Rotationsdomänen führen. Es werden jedoch SnTe-Filme gezeigt, die lediglich aus einer Domäne bestehen. Es wird gezeigt, wie durch geeignete Ausrichtung der Stufenkanten der Substratsoberfläche, hervorgerufen durch einen Fehlschnitt bei der Herstellung, mit gleichzeitiger Passivierung der Oberfläche mit Sb, die Symmetriebedingungen an der Substrat-Film-Grenzfläche aufgehoben werden können. Resultierend entsteht eine SnTe(001) Schicht, in der eine Vorzugsorientierung den Film dominiert. Vergleichsweise werden SnTe(001) Schichten auf der Si(111)−7×7 Oberflächenrekonstruktion erzeugt, bestehend aus sechs Rotationsdomänen um anhand der Ergebnisse die Verbesserungen des vorgestellten Wachstumsprozesses darzustellen. Das Aufbrechen der Symmetriebedingungen an der Film-Substrat-Grenzfläche könnte ebenfalls beim Deponieren anderer Materialsysteme ausgenutzt werden, um die Filmeigenschaften entsprechend zu verbessern. Zusätzlich werden die gewonnenen Informationen über das Wachstumsverhalten von SnTe angewandt um Bauelemente für elektrische Messungen herzustellen, bestehend aus SnTe(001) Schichten aus nur einer Rotationsdomäne. Die Bauelemente sind gefertigt mit Sn-Anteilen von 50.0 bis 51.5 at.%. Elektrische Messungen an diesen Bauteilen werden bei Temperaturen von 2..300 K durchgeführt und präsentiert. Das Wachstum von epitaktischem Sb auf der Si(111) − 7 × 7 Oberflächenrekonstruktion wird präsentiert. Mittels Molekularstrahlepitaxie werden hochtexturierte Sb(0001) Filme erzeugt. Das Wachstumsverhalten wird untersucht bei unterschiedlichen Substrattemperaturen, Depositionsraten und Schichtdicken. In allen Wachstumsszenarien besteht der abgeschiedene Film vorwiegend aus glattem, flachen Sb(0001). Zusätzlich sind Sb(01$\bar1$2) Körner vorhanden. Den Beobachtungen zu folge werden vor dem eigentlichen Filmwachstum die Stufenkanten und die Domänengrenzen der Si(111) − 7 × 7 Rekonstuktion mit Sb dekoriert. Nach Erreichen einer Dicke von etwa 2 nm fängt das Filmwachstum von diesen dekorierten Stufenkanten/Domänengrenzen in kristallinen Sb(0001) Inseln an. Auch die Sb(01$\bar1$2) Körner entstehen auf den Kanten/Domänengrenzen. Der Sb(0001) Film bildet Rotationsdomänen von ±6.1°, ±16.0° und ±30.1° bezüglich des Siliziumsubstrates aus. Die Ergebnisse werden mit epitaktischen GeTe und Sb$_{2}$Te$_{3}$ Schichten verglichen, die unter vergleichbaren Bedingungen hergestellt wurden.Gesputterte Sn$_{x}$Bi$_{y}$Te$_{z}$ Nanowhisker werden präsentiert. Die Untersuchung der Struktur offenbart defektfreie Nanostrukturen von sehr hoher struktureller Ordnung. Die Bestimmung der Zusammensetzung ergibt eine Sn$_{1}$Bi$_{2}$Te$_{4}$ Stöchiometrie. Die dargestellten Bearbeitungsschritte zeigen, dass die Sn$_{1}$Bi$_{2}$Te$_{4}$ Nanowhisker auch für weitere Untersuchungsmethoden präpariert werden können. Mittels Vierleitermessung wird der prinzipielle Nachweis über die Funktionalität der hergestellten Bauelemente erbracht.