Structural and chemical characterization of low-dimensional nano-heterostructures and defects by advanced HR(S)TEM methods

Abstract

The present PhD thesis concerns the study and understanding of physical nanomechanisms regarding the elastoplastic behavior, chemical synthesis, and defect introduction in nano-heterostructures by using transmission electron microscopy (ΤΕΜ) and scanning TEM (STEM) techniques. The study focused on structural processes occurring in one or few atomic layers and how these processes affect the structure of the epitaxial material. The experimental observation and analysis of such nanomechanisms, at the atomic level, were performed by developing and employing an integrated quantitative methodological approach, based on the determination and modelling of atomic column positions from experimental high-resolution (S)TEM (HR(S)ΤΕΜ) observations. The methodology combines advanced HR(S)ΤΕΜ techniques with topological analysis, structural modelling, atomistic calculations, and image simulations, in order to construct accurate structural models. In the framework of this research, the approach was employed for the achievement of four technologically important targets related to the physics of structural nanomechanisms. (I) Study of the structural properties of high indium content InxGa1-xN/GaN heterostructures, in the form of multiple quantum wells (QW) grown by molecular beam epitaxy (MBE). Such nanostructures are promising for high-efficiency optoelectronic applications (LED, Lasers), as well as for applications as topological insulators. (II) Study of the impact of basal stacking faults (BSFs) on the introduction of high-density threading dislocations (TDs), which is one of the most critical issues in the epitaxy of III-nitride compound semiconductors. (ΙΙΙ) Study of the structure of partial dislocations (PDs) in GaN and their mobility under carrier injection which affects the device performance. (IV) Study of the interfacial features of MgO/Fe/Pt thin films grown by e-beam evaporation for applications in the field of spintronics. Regarding Target Ι, the study referred to ultra-thin QWs with thicknesses up to two atomic layers, grown by systematically varying both the growth temperature and flow rate. The indium content of the QWs was determined at the nanoscale through quantification of the Z-contrast and strain state using Geometrical Phase Analysis or/and Peak Finding on high-angle annular dark-field HR(S)TEM images. The impact of growth conditions on the structural features, chemical composition, and strain state of the QWs was determined and a growth mechanism based on substitutional synthesis was proposed. Regarding Target ΙI, the study comprised the influence of overlaps, steps, and folds of BSFs on the nucleation of TDs in III-N epilayers. The structural configurations, which are related to the introduction of TDs, were determined by employing HRTEM observations and topological theory. Regarding Target ΙII, the core configurations of PDs were determined under optimized HRTEM imaging conditions and their mobility under in-situ e-beam irradiation was investigated. The PD motion was correlated to the core polarity and concentration of vacancies at the core. Regarding Target ΙV, the study comprised thin Fe/Pt bilayers grown on MgO substrate by systematically changing the growth temperature of the Pt. HR(S)TEM observations showed the formation of either Fe oxide nanoparticles or an ordered L10-FePt alloy at the Fe/Pt interface depending on the growth conditions. Such interfacial features of the heterostructures significantly affect the emission of THz signal.

H διδακτορική διατριβή αφορά τη μελέτη και κατανόηση φυσικών νανομηχανισμών της ελαστοπλαστικής συμπεριφοράς, της χημικής σύνθεσης και της εισαγωγής ατελειών σε νανο-ετεροδομές με την χρήση τεχνικών ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (ΤΕΜ) και σαρωτικής διέλευσης (STEM). Η έρευνα εστιάστηκε σε δομικές διεργασίες που συμβαίνουν εντός ενός ή μερικών ατομικών επιπέδων και στο πώς αυτές καθορίζουν την τελική δομή του επιταξιακού υλικού. Η πειραματική παρατήρηση και ερμηνεία των νανομηχανισμών της δομής των υλικών στο ατομικό επίπεδο κατέστη εφικτή μέσω της ανάπτυξης και αξιοποίησης μιας ολοκληρωμένης ποσοτικής μεθοδολογίας προσδιορισμού και μοντελοποίησης ατομικών θέσεων από παρατηρήσεις (S)TEM υψηλής διακριτικής ικανότητας (HR(S)ΤΕΜ). H μεθοδολογία συνδυάζει προηγμένες τεχνικές HR(S)ΤΕΜ με τοπολογική ανάλυση, μοντελοποίηση ατομικών υπερκυψελίδων και προσομοίωση εικόνας έτσι ώστε να προκύπτουν δομικά μοντέλα μεγάλης ακρίβειας. Στα πλαίσια της διενεργούμενης έρευνας εφαρμόστηκε η μεθοδολογία για την ικανοποίηση τεσσάρων στόχων υψηλής τεχνολογικής σημασίας που αφορούσαν τη φυσική των δομικών νανομηχανισμών και ήταν οι εξής: (I) Μελέτη των δομικών ιδιοτήτων ετεροδομών InxGa1-xN/GaN υψηλής περιεκτικότητας ινδίου υπό μορφή πολλαπλών κβαντικών φρεάτων (QW) ανεπτυγμένων με επιταξία με μοριακές δέσμες (MBE) για εφαρμογές σε υπεραποδοτικές οπτοηλεκτρονικές διατάξεις (LED, Laser) και σε τοπολογικούς μονωτές. (II) Μελέτη της επίδρασης των σφαλμάτων επιστοίβασης στην εκτεταμένη εισαγωγή νηματοειδών εξαρμόσεων που αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της επιταξιακής ανάπτυξης υμενίων ημιαγωγών III-Ν. (ΙΙΙ) Μελέτη της δομής και κινητικότητας, υπό ροή ηλεκτρονίων, κλασματικών εξαρμόσεων στο GaN, που επηρεάζουν τη λειτουργία των διατάξεων. (IV) Μελέτη των δομικών ιδιοτήτων και των διεπιφανειών ετεροδομών λεπτών υμενίων MgO/Fe/Pt ανεπτυγμένων με e-beam evaporation για εφαρμογές σπιντρονικής. Σχετικά με τον Στόχο Ι η μελέτη αφορούσε QW πάχους ενός έως δύο ατομικών επιπέδων που αναπτύχθηκαν μεταβάλλοντας συστηματικά τη θερμοκρασία και τον ρυθμό ανάπτυξης. H χημική σύσταση των QW προσδιορίστηκε μέσω ανάλυσης της φωτεινής αντίθεσης ατομικού αριθμού (Z-contrast) με HRSTEM υψηλής γωνίας σκέδασης, καθώς και μέσω προσδιορισμού της παραμορφωσιακής κατάστασης στη νανοκλίμακα με χρήση γεωμετρικής ανάλυσης φάσης ή/και ανίχνευσης μεγίστων έντασης σε εικόνες HR(S)TEM. Διερευνήθηκε η επίδραση των συνθηκών ανάπτυξης στα δομικά χαρακτηριστικά, τη στοιχειομετρία και την παραμορφωσιακή κατάσταση των QW και προτάθηκε ο φυσικός μηχανισμός ανάπτυξης που βασίζεται στη σύνθεση μέσω ατομικής αντικατάστασης. Σχετικά με τον Στόχο ΙΙ, η μελέτη αφορούσε την επίδραση της υπέρθεσης, των βαθμίδων, και των πτυχώσεων των σφαλμάτων επιστοίβασης στην πυρηνοποίηση νηματοειδών εξαρμόσεων σε υμένια ημιαγωγών III-Ν. Με βάση τις παρατηρήσεις HRTEM και με εφαρμογή της τοπολογικής θεωρίας, προσδιορίστηκαν όλες οι δυνατές δομικές διαμορφώσεις που σχετίζονται με την εισαγωγή νηματοειδών εξαρμόσεων. Σχετικά με τον Στόχο ΙIΙ, προσδιορίστηκαν, υπό βέλτιστες συνθήκες παρατήρησης με HRTEM, οι δομικές διαμορφώσεις των πυρήνων των κλασματικών εξαρμόσεων και διερευνήθηκε in-situ η κινητική αυτών υπό την επίδραση της δέσμης των ηλεκτρονίων. Η κινητικότητα συσχετίστηκε με την πολικότητα του πυρήνα καθώς και με τη συγκέντρωση πλεγματικών κενών σε αυτόν. Σχετικά με τον Στόχο ΙV η μελέτη αφορούσε λεπτά διστρωματικά υμένια Fe/Pt ανεπτυγμένα σε υπόστρωμα MgO, μεταβάλλοντας συστηματικά τη θερμοκρασία ανάπτυξης του Pt. Οι παρατηρήσεις HR(S)TEM έδειξαν ότι στη διεπιφάνεια Fe/Pt σχηματίζονται είτε νανοσωματίδια οξειδίων Fe είτε διατεταγμένο κράμα L10-FePt αναλόγως των συνθηκών ανάπτυξης. Οι διεπιφανειακές αυτές διαμορφώσεις των ετεροδομών επηρεάζουν σημαντικά την εκπομπή σήματος στην περιοχή THz.