Studium struktury nano-ostrůvků rentgenovou difrakcí

Mgr. Jiří Novák, Ph.D.

Doctoral thesis

Structural investigations of nano-islands using X-ray diffraction techniques

Anotácia:

Disertační práce je zaměřena na studium struktury kvantových teček a nano-ostrůvků difrakcí rentgenových paprsků. Nano-ostrůvky rostlé v Stranski-Krastanowově modu jsou zkoumány pomocí koplanární vysokoúhlové rentgenové difrakce a difrakce při malých úhlech dopadu a výstupu. Konkrétně jsme se zabývali následujícími systémy: (i) InAs/GaAs(001) kvantovými tečkami rostlými pomocí epitaxe molekulových svazků (MBE) a překrytými vrstvou GaAs, (ii) 11-násobnou multivrstvou laterálně uspořádaných a neuspořádaných InAs/GaAs(001) kvantových teček (MBE růst), (iii) tří-dimenzionálním krystalem Ge/Si(001) nano-ostrůvků (MBE růst) a In(Ga)As nano-ostrůvků rostlými epitaxí z organokovových par při nízkém tlaku. Pro vzorky s posledně jmenovanými ostrůvky jsme studovali efekt překrytí ostrůvků Ga(In)As a efekt žíhání. Výsledky rentgenových analýz jsou srovnávány s výsledky obdrženými mikroskopií atomových sil, transmisní elektronovou mikroskopií, fotoluminescencí a výpočty pásových struktur. Dále diskutujeme nové metody pro analýzu dat z rentgenové difrakce, které jsou použity k strukturní charakterizaci studovaných nano-ostrůvků. Jedná se o: (i) Rozšíření metody rozptylu na oblastech konstantní deformace na analýzu překrytých ostrůvků. Pomocí této metody lze určit rozložení deformačního pole v překrytých ostrůvcích a geometrii ostrůvků (velikost a tvar) aniž by byl předpokládán model jejich tvaru. (ii) Metodu umožňující extrahovat strukturní informace o laterálně uspořádaných a neuspořádaných ostrůvcích v případech, kdy jsou současně detekovány signály z obou typů ostrůvků. Tento postup dále poskytuje střední odchylku uspořádaných ostrůvků z uzlů dvou-dimenzionální mřížky. (iii) Kombinaci analytického řešení rovnic rovnováhy lineární elasticity s teorií kinematického rozptylu rentgenova záření, která je použita pro analýzu tří-dimenzionálního krystalu ostrůvků.

Abstract:

The thesis deals with structural characterization of quantum dots and nano-islands by means of X-ray diffraction. Coplanar high-angle X-ray diffraction and experiments in grazing-incidence diffraction geometry are applied for investigations of nano-islands grown in Stranski-Krastanow growth mode. In particular we dealt with the following systems: (i) InAs/GaAs(001) quantum-dots grown by molecular beam epitaxy and capped with GaAs, (ii) 11-stack multilayer of laterally ordered and unordered InAs/GaAs quantum-dots grown by molecular beam epitaxy, (iii) Ge/Si(001) nano-islands forming a three-dimensional island crystal, and (iv) In(Ga)As/GaAs(001) islands grown by low-pressure metal-organic vapour-phase-epitaxy. For the latter we studied effects of island capping with Ga(In)As, and effects of annealing. The results of X-ray analysis are correlated with results obtained by atomic force microscopy, transmission electron microscopy, photoluminescence, and band gap calculations. Furthermore, we discuss and apply new methods for analysis of X-ray diffraction data to obtain structural information on the studied nano-islands: (i) A generalization of the iso-strain scattering method for buried nano-islands is introduced. The method allows for the characterization of strain fields in buried islands and for obtaining the geometry (size and shape) of islands from X-ray data measured in grazing-incidence diffraction geometry without any model assumption on the island shape. (ii) A method for extracting structural information on laterally ordered and unordered nano-islands in cases when X-ray scattering signals from both classes of islands are mixed in the detected data. The procedure also allows for determination of the mean displacement of the ordered nano-islands from the two-dimensional lattice sites. (iii) The combination of an analytical solution of the equilibrium equations of linear elasticity with kinematical X-ray scattering theory is used for structural analysis of a three-dimensional island crystals.

Keywords

X-ray diffraction, structural analysis, quantum dots, nano-islands, island structure, three-dimensional crystals, indium arsenide, gallium arsenide, silicon, germanium, semiconductors, self-assembly, elasticity, deformation, atomic force microscopy, photoluminescence, transmission electron microscopy

Jazyk práce: English

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 1. 9. 2006

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 1. 9. 2006
• Vedúci: prof. RNDr. Václav Holý, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / odbor:
Physics / Solid Matter Physics