Kinetics and mechanism of planar nanowire growth

Abstract

Surface-guided growth of planar nanowires offers the possibility to control their position, direction, length, and crystallographic orientation and to enable their large-scale integration into practical devices. However, understanding of and control over planar nanowire growth are still limited. Here, we study theoretically and experimentally the growth kinetics of surface-guided planar nanowires. We present a model that considers different kinetic pathways of material transport into the planar nanowires. Two limiting regimes are established by the Gibbs–Thomson effect for thinner nanowires and by surface diffusion for thicker nanowires. By fitting the experimental data for the length–diameter dependence to the kinetic model, we determine the power exponent, which represents the dimensionality of surface diffusion, and results to be different for planar vs. nonplanar nanowires. Excellent correlation between the model predictions and the data is obtained for surface-guided Au-catalyzed ZnSe and ZnS nanowires growing on both flat and faceted sapphire surfaces. These data are compared with those of nonplanar nanowire growth under similar conditions. The results indicate that, whereas nonplanar growth is usually dominated by surface diffusion of precursor adatoms over the nanowire walls, planar growth is dominated by surface diffusion over the substrate. This mechanism of planar nanowire growth can be extended to a broad range of material–substrate combinations for higher control toward large-scale integration into practical devices.

Кинетика Роста Планарных Нитевидных Нанокристаллов

“…Практические приложения наногетероструктур на основе ННК, в том числе совмещенных с кремниевой электронной платформой, в ряде случаев осложняются их вертикальной геометрией, что вызывает сложности при изготовлении верхнего контакта и другие проблемы. Поэтому большой интерес представляют планарные ННК, выращиваемые на поверхности подложки [5][6][7][8][9][10][11][12]. Системы полупроводниковых материалов, в которых были синтезированы планарные ННК на различных поверхностях, включают Si [5], соединения III−V [6,7], III-N [8], II−VI [9][10][11] и оксиды [12].…”

“…Поэтому большой интерес представляют планарные ННК, выращиваемые на поверхности подложки [5][6][7][8][9][10][11][12]. Системы полупроводниковых материалов, в которых были синтезированы планарные ННК на различных поверхностях, включают Si [5], соединения III−V [6,7], III-N [8], II−VI [9][10][11] и оксиды [12]. В работах [11,13,14] была предпринята попытка обобщения известных из теории роста вертикальных ННК моделей на случай планарного роста.…”

“…Системы полупроводниковых материалов, в которых были синтезированы планарные ННК на различных поверхностях, включают Si [5], соединения III−V [6,7], III-N [8], II−VI [9][10][11] и оксиды [12]. В работах [11,13,14] была предпринята попытка обобщения известных из теории роста вертикальных ННК моделей на случай планарного роста. Целью настоящей работы является вывод и исследование кинетического уравнения для скорости роста планарных ННК с учетом эффекта Гиббса−Томсона в капле [15] и различных механизмов диффузии адатомов [16,17].…”

“…= D fτ -перенормированная диффузионная длина адатома на боковой поверхности ННК. Предполагая τ f = τ s , получаемĨτ = Iτ s , что соответствует равенству нулю первого слагаемого в выражении (11). При этом…”

“…Во-первых, скорость роста обращается в нуль при некотором минимальном радиусе за счет эффекта Гиббса−Томсона, как и для вертикальных ННК [18]. Во-вторых, скорость роста достаточно коротких ННК зависит от их длины L, общий вид зависимости длины ННК от радиуса и прочих параметров проанализирован в работе [11]. При L ≫ зависимость от длины исчезает.…”