Nano Lett.：鋁鍺納米線固態反應的原位TEM分析

【研究背景】

在電子、光電子、能量轉換和自旋電子學等研究領域，提出了許多半導體納米線器件。為了將這些半導體納米線結合到納米電子應用中，需要實現低歐姆電阻接觸，使用Si中的硅化工藝或Ge中的鍺化工藝，以有效地從器件注入電流和提取電流。在硅化物相或鍺化物相和半導體納米線間實現電接觸，降低源極/漏極和溝道之間的電接觸電阻。然而，金屬和半導體納米線之間的接觸質量大大限制了這些器件的效率以及在新型納米電子器件中的應用。

【成果簡介】

近期，法國格勒諾布爾大學Martien Den Hertog教授提供了一種非常有應用前景的納米線的原位TEM研究，其中鋁金屬進入鍺半導體納米線以形成極其突然和潔凈的軸向金屬-半導體界面。采用兩種不同的局部加熱方法，研究了鋁與鍺納米線在TEM中的原位固相反應。在250-330℃之間，Al侵入Ge納米線的反應界面反應速率受擴散過程的限制。EDX表征揭示了轉化后的鋁芯納米線的三維截面，分別被一層薄的純Ge（～2 nm）、Al₂O₃（～3 nm）和含有Al₂O₃ (1 nm)層的Ge包裹。Al核周圍存在含Ge的殼，表明Ge通過表面擴散擴散回金屬儲層，通過EDX檢測可以得到證實。將擴散方程擬合到動力學數據中，可以提取兩種不同溫度下的擴散系數，與文獻中關于Al的自擴散的擴散系數的良好一致性。該成果近日以題為“In Situ Transmission Electron Microscopy Analysis of Aluminum?Germanium Nanowire Solid-State Reaction”發表在知名期刊Nano Lett.上。

【圖文導讀】

圖一：原位焦耳加熱H_a或H_b進行鋁鍺原位傳播實驗

(a)原位Ha加熱的樣品TEM圖像

(b-c)在250℃和330℃下，原位加熱Hb實驗TEM圖像。

(d) 在Δv=0.575 V時，兩個相反傳播方向轉換段長度與時間的關系

(e-f) 在250°C和330°C，轉換段的長度隨時間的變化。

圖二：利用H_a技術并排傳播的納米線的高角度環形暗場STEM

(a)反應開始前的樣品

(b)交換反應后的樣品

(c)兩個NWs頂部轉換段長度與時間的關系

(d)底部轉換段長度與時間的關系

圖三： EDX定量H_a中納米線的元素

(a)H_a加熱后，EDX超圖顯示不同的元素。

(b- c) 利用定量三維化學重建模型，確定交換后的NW剖面（即由NW黃色框定義線剖面）

(d) NW橫截面化學重建的示意圖。

圖四：EDX分析鋁層結構

(a)在380℃下， H_b加熱進行相位傳播后，STEM圖像

(b) EDX超圖

圖五：HAADF STEM圖像及其建議機理

? ? ? ? 鍺原子可以通過表面通道擴散到鋁儲層，鋁原子通過體積擴散提供給反應界面。

【小結】

? ? ? ? ?綜上所述，作者通過直接焦耳加熱H_a和控制溫度H_b加熱實驗，對固態反應進行了詳細的原位TEM研究。Al和Ge擴散行為的不對稱性使得能夠通過熱退火形成金屬/半導體納米線異質結構。鋁-鍺異質結構在250℃開始的低溫下形成。低溫下的動力學結果表明，Al- Ge納米線的傳播受到Al鏈段的自擴散控制。通過EDX可以觀察到Ge通過表面通道擴散到Al層。通過兩種熱退火技術，EDX證實了單晶Al-納米線的形成，揭示了一種雙核殼結構，鋁核被一層薄的Ge覆蓋，同時，鋁核也被另一個低Ge濃度區域的Al₂O₃殼覆蓋。兩種加熱技術的反應動力學表明，通過H_a加熱可以獲得與H_b實驗中相似的低溫，使得僅用電氣控制來制造短溝道金屬氧化物半導體場效應晶體管降低到10 nm以下，與光刻工藝的空間分辨率無關。結果表明，TEM是理解和控制Al和Ge材料組合的有力工具和不可缺少的工具。

文獻鏈接：In Situ Transmission Electron Microscopy Analysis of Aluminum?Germanium Nanowire Solid-State Reaction (Nano Lett., 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b05171)

本文由材料人金屬組大兵哥編譯。

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