Self‐Consistent Modeling of Nucleation and Growth of 2D Islands on the Top Facet of Self‐Catalyzed GaAs Nanowires

Abstract

Self‐catalyzed GaAs nanowire (NW) growth via the vapor–liquid–solid mechanism is investigated by a theoretical model including the kinetics of material transport inside the catalyst droplet. The proposed model allows the description of nucleation and growth of 2D islands on the top facet of GaAs NWs. Analytical expressions for the growth rate of the disk‐shaped GaAs island due to the volume diffusion of species in the droplet and for the attachment rate of GaAs pairs to the critical island are derived. As a result, the duration of the droplet refilling stage and the island growth stage at typical growth conditions of self‐catalyzed GaAs NWs are obtained by a self‐consistent calculation. Also, the time evolution of the droplet composition and the island radius are found. The derived equations for the island growth rate can be applied for modeling of catalyst‐assisted growth of other III–V compounds. The results of the modeling are in good agreement with the experimental data on self‐catalyzed GaAs NW growth via molecular beam epitaxy and can be used for the optimization of the NW growth conditions.

Механизм роста монослоя на верхней грани Ga-каталитических нитевидных нанокристаллов GaAs и GaP

“…52079.19011 В последнее время благодаря развитию методов in situ ПЭМ-исследований (ПЭМ -просвечивающая электронная микроскопия) роста нитевидных нанокристаллов (ННК) III−V по механизму пар−жидкость−кристалл (ПЖК) стало возможным изучение процесса роста верхней грани ННК, находящейся под частицей катализатора, в реальном масштабе времени [1][2][3][4][5]. Это стимулировало появление ряда теоретических работ, посвященных исследованию морфологии границы раздела катализатор−ННК [1][2][3][4] и механизмов роста монослоя на верхней грани ННК [5][6][7][8][9]. Было обнаружено, что полный цикл формирования монослоя может содержать инкубационный период либо представляет собой непрерывный процесс [6].…”

“…Целью настоящей работы является исследование режимов роста монослоя при формировании Ga-каталитических (автокаталитический ПЖК-рост) ННК GaAs и GaP методом молекулярнопучковой эпитаксии (МПЭ). Согласно работам [6,8,10], в этом случае скорость роста верхней грани ННК ограничена нуклеацией и из-за низкой растворимости мышьяка и фосфора в галлии могут реализоваться следующие два режима роста монослоя. Если после нуклеации нового монослоя разница между максимальным числом атомов V группы в капле N V и равновесным числом атомов V группы N Veq больше, чем количество атомов V группы в монослое N ML , то монослой растет в " быстром режиме", ограниченном диффузией частиц V группы в капле.…”

“…Для исследования режимов роста монослоя воспользуемся моделью автокаталитического ПЖК-роста ННК III−V, построенной в работе [8]. Моделирование роста монослоя проводится в два этапа.…”

“…1 представлены результаты моделирования роста ННК GaAs, имеющих структуру сфалерита, в направлении [111] при различных плотностях суммарного потока частиц V группы в каплю j tot V , радиусе ННК R 0 и температуре роста T . В расчете было использовано значение межфазной энергии границы островка, полученное в работе [8]: [11]. Температурная зависимость коэффициента диффузии мышьяка в галлии взята из работы [12]:…”

“…При малых R 0 из-за размерного эффекта увеличивается поток десорбции из капли, и в результате наблюдается резкое уменьшение концентрации атомов V группы [6,11]. В области больших значений j tot V и R 0 мольная доля C V уменьшается с ростом R 0 [8,11]. В этом случае скорость роста ННК слабо зависит от R 0 , так как мало влияние потока десорбции.…”