Herstellung und Charakterisierung von Silizium Nanodrähten mittels Molekularstrahlepitaxie

Abstract

Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Untersuchung grundlegender Prozesse für das Silizium-Whiskerwachstum. Erstmalig wurden Si-Nanowhisker unter UHV-Bedingungen mittels der Molekularstrahlepitaxie (MBE) erzeugt und anschließend mit verschiedenen Untersuchungsmethoden charakterisiert. Das Wachstum von Si-Nanowhiskern unter MBE-Bedingungen wird durch den VLS (Vapour-Liqiud-Solid)-Mechanismus und durch Oberflächendiffusion von Si-Atomen bestimmt. Voraussetzung für diese Wachstumsmethode sind Au/Si-Tropfen auf einer Si(111)-Substratoberfläche. Untersuchungen zum zeitlichen Verhalten der Au/Si-Tropfen während des Whiskerwachstums zeigen mit zunehmender Wachstumszeit eine Absenkung der Anzahl von kleinen Tropfen bzw. Whiskern. Dieses Verhalten, d.h. das Auflösen kleinerer Tropfen/Whisker und im Gegenzug dazu das Wachsen größerer Tropfen/Whiskern kann mit Hilfe der Ostwaldreifung erklärt werden. Der hier auftretende diffusionsbestimmte Stoffübergang von Gold wird theoretisch durch die Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW)-Theorie beschrieben. Nach dieser Theorie wachsen nur Whisker, deren Radien größer als die kritischen Radien sind. Die Whiskerradien sind temperaturabhängig, während analoge Whiskerlängen für identische Wachstumszeiten existieren. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen, dass alle Whisker einen hexagonalen, aber keinen zylindrischen, Habitus besitzen. Die während des Wachstums sich ausbildenden Facettenflächen sind kristallographische (111)-Flächen.

In this work, basic processes of silicon whisker growth were examined. For the first time, Si nanowhiskers were produced under UHV conditions by Molecular Beam Epitaxy (MBE) and characterized by di_erent analysis methods afterwards. The existence of Au/Si droplets on a 1 Si(111) substrate surface is a precondition of this growth method. Analyses of the temporal development of the Au/Si droplets during the whisker growth show a decrease of the number of small droplets resp. whiskers during the whisker growth with increasing growth time. This behaviour, i.e. the dissolution of smaller droplets/whiskers and the growth of larger ones in parallel can be explained by Ostwald ripenning. The di_usion-determined material transition of gold, which occurs during this process, is theoretically described by the Lifshitz-Slyozov-Wagner (LSW)-Theory. After this theory only whiskers grow which radii are larger than the critical radius. The whisker radii are temperature dependend whereas analogous whisker radii exist for identical growth times. Electron microscopy analysis show that all whiskers possess a hexagonal but no cylindrical habitus. The planes that form during the growth are crystallographic (111) planes. The growth of Si nanowhiskers under MBE conditions is determined by the Vapour Liquid Solid (VLS) mechanism and by surface di_usion of Si atoms.