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Dimensionseffekte in Halbleiternanodrähten

dc.contributor.advisorRonning, Carsten Prof. Dr.de
dc.contributor.authorStichtenoth, Danielde
dc.date.accessioned2008-09-10T15:30:27Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T13:40:22Zde
dc.date.available2013-01-30T23:51:12Zde
dc.date.issued2008-09-10de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B472-6de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2891
dc.description.abstractNanomaterialien zeichnen sich durch neuartige physikalische Eigenschaften aus, die durch ihre Morphologie und Größe bestimmt sind. Diese neuen Eigenschaften lassen sich zumeist auf das große Oberflächen-zu-Volumenverhältnis, auf Größenquantisierungseffekte oder auf eine Formanisotropie zurück führen. Diese neuen Eigenschaften eröffnen neue Anwendungsfelder. In dieser Arbeit werden Untersuchungen an Halbleiternanodrähte vorgestellt, deren Durchmesser im Bereich 4 bis 400 nm liegt und deren Länge bis zu 100 µm beträgt. Bei den untersuchten Halbleitermaterialien handelt es sich vorwiegend um Zinkoxid (ZnO), Zinksulfid (ZnS) sowie Galliumarsenid (GaAs). Alle Nanodrähte wurden entsprechend dem Vapor-Liquid-Solid-Mechanismus in verschiedenen Prozessen hergestellt, der ursprünglich für das Wachstum von Silizium-Nanodrähten postuliert wurde. Entsprechende Abwandlungen für die verwendeten Verbindungshalbleiter werden diskutiert. Detaillierte Lumineszenzuntersuchungen an ZnO-Nanodrähten als Funktion des Drahtdurchmessers zeigen deutliche Größeneffekte, die auf die oben genannten Ursachen zurückgeführt werden. Zur weiteren Funktionalisierung der Nanodrähte ist, wie bei Volumenmaterial, oft eine Einstellung der Materialeigenschaften notwendig. Dies wird typischerweise durch eine Dotierung des Ausgangsmaterials mit Fremdatomen erreicht. Es zeichnet sich ab, dass eine kontrollierte Dotierung während des Wachstums aufgrund des komplexen Mechanismus wenig erfolgreich ist. Hier wird eine alternative Methode gewählt: die Dotierung durch Ionenimplantation nach dem Wachstum. Im Detail wird die Dotierung von ZnO- und ZnS-Nanodrähten mit Leuchtzentren (Mangan und Lanthanoiden) demonstriert. Hier zeigt insbesondere die intra-3d-Lumineszenz von implantierten Mangan in ZnS-Nanostrukturen eine deutliche Abhängigkeit von dem Durchmesser und der Morphologie der Nanostrukturen. Diese Abhängigkeit kann durch die Erweiterung des Förstermodells, das den Energietransfer zu den Leuchtzentren beschreibt, um einen Dimensionsparameter beschrieben werden. Desweiteren wurden GaAs-Nanodrähte mit Zinkionen impantiert. In elektrischen Messungen an einzelnen Nanodrähten konnte eine Erhöhung der Leitfähigkeit um vier Größenordnungen gezeigt werden, was auf eine erfolgreiche p-Dotierung zurückgeführt wurde. Eine gewisse Problematik bei der Ionenimplantation stellt die Erzeugung von Kristalldefekten dar, die bei dem Eindringen der Ionen in den Festkörper entstehen. Diese Defekte müssen zunächst ausgeheilt werden, um eine Aktivierung der eingebrachten Dopanden zu erreichen. Bei der Ionenbestrahlung mit hohen Fluenzen und großen Ionenmassen fällt zudem auch der Abtrag von Oberflächenatomen, der sogenannte Sputtereffekt, ins Gewicht. Dieser führt zu einer charakteristischen Veränderung der Morphologie der Nanodrähte. In einem lithographischen Prozess wurden ZnO-Nanodrähten zu Feldeffekttransistoren prozessiert. Elektrische Untersuchungen zeigen, dass Elektronen Majoritätsladungsträger in den Nanodrähten sind. Abhängig von der Morphologie und dem Herstellungsprozess werden Ladungsträgerkonzentrationen von 1020 cm-3 und Mobilitäten bis zu 4800 cm2/(Vs) beobachtet. Schließlich wird ein einfacher Prozess vorgestellt, in dem ZnO-Nanodrähte in einer skallierbaren Methode zu Leuchtdioden prozessiert werden können. Die Elektrolumineszenz der Nanodrahtdiode ist energetisch im Bereich der Bandlücke von ZnO anzusiedeln und wird durch eine Tunnelinjektion von Löchern aus einem p-Siliziumsubstrat in die ZnO-Nanodrähte erreicht. DasLicht tritt hauptsächlich an den Enden der Nanodrähte aus. Somit ist die Lichtquelle durch den Durchmesser der Drähte bestimmt.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isogerde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/2.0/de/de
dc.titleDimensionseffekte in Halbleiternanodrähtende
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedDimensional Effects in Semiconductor Nanowiresde
dc.contributor.refereeVolkert, Cynthia Prof. Dr.de
dc.date.examination2008-06-23de
dc.subject.dnb530 Physikde
dc.description.abstractengNanomaterials show new physical properties, which are determined by their size and morphology. These new properties can be ascribed to the higher surface to volume ratio, to quantum size effects or to a form anisotropy. They may enable new technologies. The nanowires studied in this work have a diameter of 4 to 400 nm and a length up to 100 µm. The semiconductor material used is mainly zinc oxide (ZnO), zinc sulfide (ZnS) and gallium arsenide (GaAs). All nanowires were synthesized according to the vapor liquid solid mechanism, which was originally postulated for the growth of silicon whiskers. Respective modifications for the growth of compound semiconductor nanowires are discussed. Detailed luminescence studies on ZnO nanowires with different diameters show pronounced size effects which can be attributed to the origins given above. Similar to bulk material, a tuning of the material properties is often essential for a further functionalization of the nanowires. This is typical realized by doping the source material. It becomes apparent, that a controlled doping of nanowires during the growth process is not successful. Here an alternative method is chosen: the doping after the growth by ion implantation. However, the doping by ion implantation goes always along with the creation of crystal defects. The defects have to be annihilated in order to reach an activation of th introduced dopants. At high ion fluences and ion masses the sputtering of surface atoms becomes more important. This results in a characteristic change in the morphology of the nanowires. In detail, the doping of ZnO and ZnS nanowires with color centers (manganese and rare earth elements) is demonstrated. Especially, the intra 3d luminescence of manganese implanted ZnS nanostructures shows a strong dependence of the nanowire diameter and morphology. This dependence can be described by expanding Foersters model (which describes an energy transfer to the color centers) by a dimensional parameter. Furthermore, GaAs nanowires were implanted with zinc ions. Electrical measurements on individual nanowires show a conductivity rise by four orders of magnitude. This points to a successful p-type doping. In a lithographic process ZnO nanowires were fabricated to field effect transistors (FET). Depending on the diameter and processing these FETs show carrier concentrations up to 1020 cm-3 and mobilities up to 4800 cm2/(Vs). Finally, a simple scalable process for the production of ZnO nanowire light emitting diodes (LED) is presented. The electro-luminescence of the nanowire LED is dominated by near band gap transitions, i.e. in the UV. It can be explained by tunnel injection from the p-silicon substrate into the ZnO nanowires. The light is mainly emitted from the end faces of the nanowires. This way the diameter of the light sources is defined by the diameter of the nanowires.de
dc.subject.topicMathematics and Computer Sciencede
dc.subject.gerNanodrahtde
dc.subject.gerZinkoxidde
dc.subject.gerPhotolumineszenzde
dc.subject.gerIonenimplantationde
dc.subject.gerLeuchtzentrende
dc.subject.gerDotierungde
dc.subject.engnanowirede
dc.subject.engzinc oxidede
dc.subject.engphotoluminescencede
dc.subject.engion implantationde
dc.subject.engcolor centerde
dc.subject.engdopingde
dc.subject.bk33.61de
dc.subject.bk33.07de
dc.subject.bk33.72de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-1885-5de
dc.identifier.purlwebdoc-1885de
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.subject.gokfullRVQ 000: Halbleiter {Physik}de
dc.subject.gokfullRVQ 700: Bestrahlungseffekte in Halbleitern {Physik}de
dc.subject.gokfullRVC 000: Kristalline Festkörper {Physik: Kondensierte Materie}de
dc.subject.gokfullRVC 340: Fremdatome in Kristallen {Physik: Kristalline Festkörper: Kristallgitterfehler}de
dc.subject.gokfullRVC 360: Farbzentren {Physik: Kristalline Festkörper: Kristallgitterfehler}de
dc.subject.gokfullRVC 620: Excitonen {Physik: Anregungszustände in Kristallen}de
dc.subject.gokfullRVC 880: Optische Eigenschaften {Physik: Kristalline Festkörper}de
dc.identifier.ppn584445091de


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