Нитевидный нанокристалл

Наиболее распространённым механизмом роста полупроводниковых ННК является механизм «пар — жидкость — кристалл»[1], который был продемонстрирован ещё в 1964 году[2]. В данном методе осуществляется эпитаксиальный рост ННК методами химического осаждения из газовой фазы или молекулярно-пучковой эпитаксии.

Схема роста ННК методом «пар — жидкость — кристалл»

Для этого на поверхность подложки сначала осаждается тонкая плёнка золота, играющего роль катализатора, после чего в камере повышается температура, и золото образует массив капель. Далее подаются компоненты для роста полупроводникового материала, например элементы In и P для роста InP ННК. Эффект активации частицами катализатора заключается в том, что рост на поверхности под каплей происходит во много раз быстрее, чем на неактивированной поверхности, таким образом, капля катализатора поднимается над поверхностью, наращивая под собой нитевидный кристалл.

Иногда, для создания одномерных нанообъектов, которые также называют ННК или нанонитями, используют методы планарной технологии. Например, на поверхности, методами фотолитографии и травления, создаются вертикальные пазы[3] или V-образные канавки[4], в которые осаждается материал. Собираясь в данных пазах или канавках, материал образует как бы одномерные наноструктуры в вертикальном или горизонтальном направлениях соответственно. Другой метод получения одномерных наноструктур заключается в том, что на SOI подложке, методами фото и электронной литографии, создаётся масочный слой с рисунком желаемого ННК. Далее, через этот слой, поверхностный слой кремния стравливается, оставляя лишь ННК кремния на изоляторе. В некоторых случаях, изолятор также вытравливают из под ННК, оставляя свободные наноструктуры[5].

Самый простой метод для получения ННК оксида металла это обычный нагрев металлов на воздухе[6] может быть легко сделать в домашних условиях. Механизмы роста известны с 1950-х годов[7]. Спонтанное образование ННК происходит с помощью дефектов кристаллической решётки: дислокаций, присутствующих в определённых направлениях[8] или анизотропии роста различных граней кристалла. После продвижения в микроскопии, продемонстрирован рост ННК при помощи винтовых дислокаций[9][10] или границ двойников [11].

Кроме вышеизложенных методов, существуют также и такие методы получения ННК, как механизм "пар-кристалл-кристалл", рост кристаллов без использование внешнего катализатора (самокатализированный рост)[12], селективная эпитаксия и некоторые другие методики[1].

Большинство полупроводниковых III-V кристаллов (например, GaAs, InAs, InP и другие), в нормальном состоянии имеет кристаллическую структуру цинковой обманки (сфалерита), тогда как лишь некоторые из них, например, нитридные соединения (GaN, AlN), имеют гексагональную структуру вюрцита. Особенностью кристаллической структуры ННК является тот факт, что она может иметь как форму цинковой обманки, так и вюрцита, в зависимости от условий роста кристаллов[1]. Более того, один ННК нередко содержит различные зоны со структурами обоих типов. В этом случае, используя методы фотолюминесцентной спектроскопии, можно наблюдать так называемую рекомбинацию второго типа, когда носители заряда из одной зоны рекомбинируют с носителями из другой зоны, из-за чего излучение происходит с энергией меньше ширины запрещённой зоны. В целом свойства материалов с кристаллической структурой вюрцита достаточно сильно отличаются от свойств материала со структурой цинковой обманки, что наделяет полупроводниковые ННК рядом свойств, не характерных для данного материала в обычном состоянии. К примеру, материалы с кристаллической структурой вюрцита, как правило, имеют большие пьезоэлектрические константы, что обусловливает существование встроенных пьезоэлектрических полей в ННК гетероструктурах, что в случае гетероструктур на ННК может приводить к квантоворазмерному эффекту Штарка[15].

Благодаря своей одномерной форме и особенностям кристаллической структуры ННК имеют нетривиальную анизотропию поляризации излучения. Исследования ННК методами микро-фотолюминесцентной спектроскопии показывают, что с одной стороны, с точки зрения классической оптики, излучение и поглощение на длинах волн, превышающих диаметр ННК, будет происходить в основном для волн, поляризованных параллельно главной оси ННК, т.к. волны, перпендикулярные ей, будут подавлены из-за разницы диэлектрических постоянных ННК и воздуха[13]. С другой стороны, вычисление квантовых уровней в полупроводниках с кристаллической структурой вюрцита показывает, что излучение должно происходить перпендикулярно оси роста кристалла вюрцита, что и наблюдается экспериментально при сравнении излучения образцов ННК с кристаллическими структурами обоих типов[16]. Кроме того, на поляризацию ННК и ННК гетероструктур может влиять и ряд других факторов[13]. Таким образом, анизотропия поляризации в этих наноструктурах является комплексной проблемой.

В процессе эпитаксиального роста кристаллов на поверхности кристаллов другого материала, встаёт проблема механического напряжения, появляющегося из-за рассогласования постоянных кристаллических решёток этих материалов. Большие рассогласования приводят к появлению дислокаций несоответствия. Уникальным свойством гетероструктур на ННК является релаксация упругих напряжений на боковой поверхности ННК, что позволяет создавать бездефектные гетероструктуры с большим рассогласованием, чем в случае планарных структур. Возможное рассогласование постоянных рёшетки, в данном случаи, будет обратно пропорционально радиусу ННК[1]. Как бы то ни было, остаточные напряжения могут приводить к пьезоэлектрическим эффектам в ННК с кристаллической структурой вюрцита[15].