TY - THES A1 - Lange, Felix T1 - MBE growth and investigation of Si, Ge, and SiₓGe₁₋ₓ nanowires T1 - MBE Wachstum und Untersuchung von Si, Ge und SiₓGe₁₋ₓ Nanodrähten N2 - Within this work, the growth of out-of-plane Si and SiᵪGe₁₋ᵪ and in-plane Ge nanowire have been investigated. For this purpose, nanowires have been grown ccording to the vapor-liquid-solid mechanism by means of molecular beam epitaxy with Au as metallic solvent on Si(111) and nano-structured Si(001)/SiO₂ substrates. Each stage from surface preparation to final nanowire growth has been examined in order to determine relevant parameters which influence the nucleation process nanowire elongation. Particular attention has been given to describe the variation of Au droplet size distribution on Si(111) to evaluate the subsequent nanowire growth and to obtain optimal growth conditions for an site-selective nucleation on the nano-structured substrates. Due to increased surface diffusion velocity with raising temperature, the droplet diameter distribution shifts from a positive skewed distribution with a high fraction of smaller droplets to a negative skewed distribution with a high fraction of larger droplets. The temperature dependency of the most probable droplet diameter and the number of Au droplets per area has been determined, which can be applied to predict the resulting nanowire diameters. The out-of-plane Si and SiᵪGe₁₋ᵪ on Si(111) predominantly grow along the surface normal, exhibiting the characteristic sawtooth-like sidewall faceting. During the nanowire formation, the Au surface diffusion velocity increased and causes an increase of the most frequently observed diameter. Furthermore, the total number of droplets/nanowires decreases by a constant factor due to an increase of the contact angle during Si/Ge deposition. The specific diameter range for an possible nanowire formation is reduced by the incorporation of Ge into SiᵪGe₁₋ᵪ nanowires. To obtain a regular and uniform nanowire growth, a nano-structured substrate consisting of Si(001) terminated pillars surrounded by a SiO₂ matrix has been utilized. The initial growth of Ge nanowire starting from Si-Au droplets with SiᵪGe₁₋ᵪ nucleation from ternary alloy is discussed from a thermodynamic point of view and a model based on the Si-Ge-Au ternary phase diagram has been developed to predict the SiᵪGe₁₋ᵪ concentration gradient in the nanowire base. The fully relaxed in-plane Ge nanowires occur within one of the four distinct in-plane ⟨110⟩ directions and nanowires are mainly bounded by two 55° inclined {111} facets and a less pronounced planar (001) top facet. High-resolution scanning X-ray diffraction microscopy reveals a slightly tilted growth of individual nanowires with respect to each other, causing an abrupt change in the orientation at junction points of interconnected nanowires. N2 - Die vorliegende Arbeit umfasst die Untersuchung des Wachstums von out-of-plane Si und SiᵪGe₁₋ᵪ Nanodrähten sowie von in-plane Ge Nanodrähten. Hierfür wurden die Nanodrähte nach dem VLS-Mechanismus unter Verwendung von Au als metallisches Lösungsmittel auf Si(111) und nanostrukturierten Si(001)/SiO₂ durchgeführt. Die einzelnen Schritte von der Oberflächenpräparation bis zum endgültigen Nanodrahtwachstum wurden betrachtet, um relevante Parameter zu bestimmen, welche die Bildung von Nukleationskeimen und Nanodrähte beeinflussen. Besonderes Aufmerksamkeit wurde der Beschreibung der Variation der Tropfengrößen-verteilung auf Si(111) gegeben, um das nachfolgende Nanodrahtwachstum zu evaluieren und optimale Wachstumsbedingungen für eine ortsselektive Keimbildung auf den nanostrukturierten Substraten zu erhalten. Aufgrund der erhöhten Au-Oberflächendiffusion mit steigender Temperatur verschiebt sich die Verteilung der Tröpfchendurchmesser von einer rechtsschiefen Verteilung zu einer linksschiefen Verteilung. Es wurde die Temperaturabhängigkeit des Tropfendurchmessers und die Tropfenanzahl ermittelt, die zur Vorhersage der resultierenden Nanodraht-Durchmesser verwendet werden kann. Das Wachstum der Si und SiᵪGe₁₋ᵪ Nanodrähte auf Si(111) wachsen überwiegend entlang der Oberflächenormale und zeigen die charakteristische Seitenwandfacettierung. Während der Nanodrahtbildung nimmt die Au Oberflächendiffusion zu und bewirkt eine Änderung der Durchmesserverteilung. Darüber hinaus nimmt die Gesamtzahl der Tröpfchen/Nanodrähte durch eine Vergrößerung des Kontaktwinkels während der Si/Ge-Abscheidung um einen konstanten Faktor ab. Der spezifische Durchmesserbereich für eine mögliche Nanodrahtbildung wird durch die Einlagerung von Ge in SiᵪGe₁₋ᵪ Nanodrähte reduziert. Um ein einheitliches Nanodrahtwachstum zu erzielen, wurde ein nanostrukturiertes Substrat verwendet, das aus Si(001)-terminiertes Säulen umgeben von einer SiO₂-Matrix besteht. Das anfängliche Wachstum der Ge-Nanodrähte ausgehend von Si-Au-Tropfen mit SiᵪGe₁₋ᵪ Übergang aus der ternären Zusammensetzung wird aus thermodynamischer Sicht diskutiert, und es wurde ein Modell auf der Grundlage des ternären Si-Ge-Au-Phasendiagramms entwickelt, um den SiᵪGe₁₋ᵪ Konzentrationsgradienten in der Nanodraht-Basis zu prognostizieren. Die vollständig entspannten Ge-Nanodrähte entstehen entlang einer der vier verschiedenen inplane ⟨110⟩ Richtungen und die Nanodrähte sind hauptsächlich durch zwei 55° geneigte {111}-Facetten mit planarer (001) Top-Facette begrenzt. Hochauflösende Röntgenbeugungsmikroskopie offenbart ein leicht verkipptes Wachstum der einzelnen Nanodrähte zueinander, was zu einer abrupten Änderung der Orientierung an Verbindungspunkten miteinander verbundener Nanodrähte führt. KW - MBE KW - Silicon KW - Germanium KW - Nanowires KW - Epitaxy KW - MBE KW - Silizium KW - Germanium KW - Nanodrähte KW - Epitaxie KW - Nanodraht KW - Molekularstrahlepitaxie KW - Germanium KW - Silicium KW - Tropfengrößebestimmung Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-57510 ER -