Yarıiletken nanoteller yok denecek kadar küçüktürler: ABD Ulusal Teknoloji ve Standartlar Enstitüsü NIST’in Fiziksel Ölçüm Laboratuvarı Kuantum Elektroniği ve Fotonik Bölümü’ndeki bilim insanları tarafından yapılan yeni nanotel kümesinin yaklaşık 200 nanometre çapa (bir insan saçının kalınlığının 500’de 1’i kadar) sahip olduğu ve uzunluklarının 6 ila 10 mikrometre arasında değiştiği ölçülmüş. Bu büyüklüklere karşın, yarıiletken nanoteller katıhal aydınlatmada, kimyasal sensörlerde ve nanoölçek bilimsel sondalarda çok büyük bir role sahiptir.
İlk olarak araştırmacılar yüksek verimliliğe sahip nanotel ışık saçan diyotların (LED) nasıl üretileceğini belirlemeleri gerekiyordu. Çünkü bu nanotel LED’ler her biri aynı optik emisyon spektrumu ve diğer kritik özellikleri ile uygun kompozisyona ve morfolojiye sahip olmalıdırlar. Ve bu da, nanotellerin ve onların değişik katmanları gibi farklı atomik türlerin lokalizasyonu ve en uygun yerleşmesinin nasıl oluşturulacağının detaylı anlaşılmasını gerektirir.
Şimdilerde Optoelektronik Üretim Grubu’ndan Norman Sanford ve çalışma arkadaşları yeni bir çalışmada bu amaca yönelik büyük bir ilerleme kaydediyorlar. Araştırmacılar aralıklarla gömülü ince InGaN katmanları ile GaN nanotelleri büyütmek için moleküler demet epitaksi (MBE) yöntemini kullandılar. Bir ışık kaynağı olarak böyle bir nanotel kullanmak için, nanotele bir gerilim uygulanır ve kuantum telleri oluşturan InGaN bölümleri lüminesans (bir tür elektromanyetik ışınım, ışıldama) üretmek için rekombine (birleşme) olan elektron-deşik çiftlerini yakalar.
Bu rekombinasyon-lüminesans süreci ile kuantum kuyu GaN’deki basit, süreksiz bir p-n eklemden daha fazla verimlidir. Ancak, dar bir dalgaboyu bandı içindeki lüminesans kaynağının verimli olması için kuantum kuyu kompakt ve düzgün olarak kalmalıdır. Eğer InGaN katmanındaki indiyum bu GaN katmanları civarına difüze olursa kuyu giderek yayılır ve bu durumda aygıt verimli bir şekilde çalışamaz. Farklı indiyum oranları ile farklı alaşımlar farklı band aralıklarına sahip olacaktır ve böylece farklı dalgaboylarında ışığın yayılması sağlanmış olacaktır. Araştırmacılar ise aygıt yapısı büyütüldükçe kuyunun lokalize kalıp kalmadığı veya dağılıp dağılmadığını etkileyen faktörleri incelemek istediler. Çalışmalarını da bu isteklerine göre geliştirdiler.
Araştırmacılar nanotelin her bir parçasının kimyasal kompozisyonunun 3 boyutlu resmini oluşturup bunu kullanarak telin nasıl büyüdüğü hakkında bilgi elde etmeyi başardılar. Aslında bu üç boyutlu resim bir dedektör yoluyla elde ediliyor. Bu dedektör her bir ortaya çıkan iyonun konumunu kaydeder ve sonra zamanlama sinyalleri gibi laser atımlarını kullanarak araştırmacılar her bir iyonun uçuş zamanını belirlerler. Böyle de iyonun yük kütle oranı elde edilir. Dedektördeki iyon etki olayları da bu şekilde biriktirilerek bir veri dosyası elde edilir. Bu veri dosyasından da üç boyutlu bir nanotel görüntüsü elde edilmiş olunur.
Araştırma grubu ise nanotellerin oluşma koşulları üzerine InGaN katmanlarının yerlerinin çok önemli bir etkiye sahip olduklarını buldular. Eğer GaN katmanlarının büyütülme koşulları InGaN bariyer katmanlarına bozulmadan kalmasını sağlamak için doğru ayarlanmamışsa InGaN bariyer katmanlarının dağılmasına ve difüzyona uğraması mümkün olabilir. Bazı durumlarda ise InGaN katmanlarının konsolidasyonunun sonraki GaN katmanının büyütülmesi sırasında yok olduğunu buldular. Buna ilaveten, InGaN kuantum kuyuları düz disk benzeri yapılardan ziyade GaN nanotellerdeki aralıklı ince konik InGaN kabukları şeklinde olabileceğini araştırmacılar buldular.
Araştırmacıların bu ilk defa elde edilen üç boyutlu haritalama verileri ile InGaN/GaN nanoölçek çokluyapılarının büyütülme süreçlerinin daha iyi gerçekleşmesinde gerekli olacak yeni bilgiler ortaya koydular. Böylece katıhal aydınlatmada, kimyasal sensörlerde kullanım alanı bulan bu nanoteller daha verimli ve daha iyi özelliklere sahip aygıtlara dönüştürülebilecek.
Makale: N.A. Sanford et al, “Laser-assisted atom probe tomography of MBE grown GaN nanowire heterostructures,” forthcoming in Physica Status Solidi.
Gökhan Atmaca, MSc. facebook.com/anadoluca | twitter.com/kuarkatmaca
Nanoölçek Aygıtlar ve Taşıyıcı İletimi Grubu
Kaynak:
http://phys.org/news/2013-12-probing-secrets-nanowires.html