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    Multiple lobes in the far-field distribution of terahertz quantum-cascade lasers due to self-interference
    (New York : American Institute of Physics, 2016) Röben, B.; Wienold, M.; Schrottke, L.; Grahn, H.T.
    The far-field distribution of the emission intensity of terahertz (THz) quantumcascade lasers (QCLs) frequently exhibits multiple lobes instead of a single-lobed Gaussian distribution. We show that such multiple lobes can result from selfinterference related to the typically large beam divergence of THz QCLs and the presence of an inevitable cryogenic operation environment including optical windows. We develop a quantitative model to reproduce the multiple lobes. We also demonstrate how a single-lobed far-field distribution can be achieved.
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    The influence of Mg doping on the nucleation of self-induced GaN nanowires
    (New York : American Institute of Physics, 2012) Limbach, F.; Caterino, R.; Gotschke, T.; Stoica, T.; Calarco, R.; Geelhaar, L.; Riechert, H.
    GaN nanowires were grown without any catalyst by plasma-assisted molecular beam epitaxy. Under supply of Mg, nanowire nucleation is faster, the areal density of wires increases to a higher value, and nanowire coalescence is more pronounced than without Mg. During nanowire nucleation the Ga desorption was monitored insitu by line-of-sight quadrupolemass spectrometry for various substrate temperatures. Nucleation energies of 4.0±0.3 eV and 3.2±0.3 eV without and with Mg supply were deduced, respectively. This effect has to be taken into account for the fabrication of nanowire devices and could be employed to tune the NW areal density.
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    Thermal annealing studies of GeTe-Sb2Te3 alloys with multiple interfaces
    (New York : American Institute of Physics, 2017) Bragaglia, Valeria; Mio, Antonio M.; Calarco, Raffaella
    A high degree of vacancy ordering is obtained by annealing amorphous GeTe-Sb2Te3 (GST) alloys deposited on a crystalline substrate, which acts as a template for the crystallization. Under annealing the material evolves from amorphous to disordered rocksalt, to ordered rocksalt with vacancies arranged into (111) oriented layers, and finally converts into the stable trigonal phase. The role of the interface in respect to the formation of an ordered crystalline phase is studied by comparing the transformation stages of crystalline GST with and without a capping layer. The capping layer offers another crystallization interface, which harms the overall crystalline quality.
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    Schottky contacts to In2O3
    (New York : American Institute of Physics, 2014) von Wenckstern, H.; Splith, D.; Schmidt, F.; Grundmann, M.; Bierwagen, O.; Speck, J.S.
    n-type binary compound semiconductors such as InN, InAs, or In2O3 are especial because the branch-point energy or charge neutrality level lies within the conduction band. Their tendency to form a surface electron accumulation layer prevents the formation of rectifying Schottky contacts. Utilizing a reactive sputtering process in an oxygen-containing atmosphere, we demonstrate Schottky barrier diodes on indium oxide thin films with rectifying properties being sufficient for space charge layer spectroscopy. Conventional non-reactive sputtering resulted in ohmic contacts. We compare the rectification of Pt, Pd, and Au Schottky contacts on In2O3 and discuss temperature-dependent current-voltage characteristics of Pt/In2O3 in detail. The results substantiate the picture of oxygen vacancies being the source of electrons accumulating at the surface, however, the position of the charge neutrality level and/or the prediction of Schottky barrier heights from it are questioned.
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    Magnetic properties of GaAs-Fe3Si core-shell nanowires — A comparison of ensemble and single nanowire investigation
    (New York : American Institute of Physics, 2017) Hilse, Maria; Jenichen, Bernd; Herfort, Jens
    On the basis of semiconductor-ferromagnet GaAs-Fe3Si core-shell nanowires (Nws) we compare the facilities of magnetic Nw ensemble measurements by superconducting quantum interference device magnetometry versus investigations on single Nws by magnetic force microscopy and computational micromagnetic modeling. Where a careful analysis of ensemble measurements backed up by transmission electron microscopy gave no insights on the properties of the Nw shells, single Nw investigation turned out to be absolutely essential.
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    Kinetics versus thermodynamics of the metal incorporation in molecular beam epitaxy of (InxGa1−x)2O3
    (New York : American Institute of Physics, 2016) Vogt, Patrick; Bierwagen, Oliver
    We present a detailed study of the reaction kinetics and thermodynamics of the plasma-assisted oxide molecular beam epitaxy of the ternary compound (InxGa1−x)2O3 for 0 ≤ x ≤ 1. We measured the growth rate of the alloy in situ by laser reflectrometry as a function of growth temperature T G for different metal-to-oxygen flux ratios r Me, and nominal In concentrations x nom in the metal flux. We determined ex situ the In and Ga concentrations in the grown film by energy dispersive X-ray spectroscopy. The measured In concentration x shows a strong dependence on the growth parameters T G, r Me, and x nom whereas growth on different co-loaded substrates shows that in the macroscopic regime of ∼μm3 x does neither depend on the detailed layer crystallinity nor on crystal orientation. The data unveil that, in presence of In, Ga incorporation is kinetically limited by Ga2O desorption the same way as during Ga2O 3 growth. In contrast, In incorporation during ternary growth is thermodynamically suppressed by the presence of Ga due to stronger Ga–O bonds. Our experiments revealed that Ga adatoms decompose/etch the In–O bonds whereas In adatoms do not decompose/etch the Ga–O bonds. This result is supported by our thermochemical calculations. In addition we found that a low T G and/or excessively low r Me kinetically enables In incorporation into (InxGa1−x)2O3. This study may help growing high-quality ternary compounds (InxGa1−x)2O3 allowing band gap engineering over the range of 2.7–4.7 eV.
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    Control of the emission wavelength of gallium nitride-based nanowire light-emitting diodes
    (Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2013) Wölz, Martin
    Halbleiter-Nanosäulen (auch -Nanodrähte) werden als Baustein für Leuchtdioden (LEDs) untersucht. Herkömmliche LEDs aus Galliumnitrid (GaN) bestehen aus mehreren Kristallschichten auf einkristallinen Substraten. Ihr Leistungsvermögen wird durch Gitterfehlpassung und dadurch hervorgerufene Verspannung, piezoelektrische Felder und Kristallfehler beschränkt. GaN-Nanosäulen können ohne Kristallfehler auf Fremdsubstraten gezüchtet werden. Verspannung wird in Nanosäulen elastisch an der Oberfläche abgebaut, dadurch werden Kristallfehler und piezoelektrische Felder reduziert. In dieser Arbeit wurden GaN-Nanosäulen durch Molukularstrahlepitaxie katalysatorfrei gezüchtet. Eine Machbarkeitsstudie über das Kristallwachstum von Halbleiter-Nanosäulen auf Metall zeigt, dass GaN-Nanosäulen in hoher Kristallqualität ohne einkristallines Substrat epitaktisch auf Titanschichten gezüchtet werden können. Für das Wachstum axialer (In,Ga)N/GaN Heterostrukturen in Nanosäulen wurden quantitative Modelle entwickelt. Die erfolgreiche Herstellung von Nanosäulen-LEDs auf Silizium-Wafern zeigt, dass dadurch eine Kontrolle der Emissionswellenlänge erreicht wird. Die Gitterverspannung der Heterostrukturen in Nanosäulen ist ungleichmäßig aufgrund des Spannungsabbaus an den Seitenwänden. Das katalysatorfreie Zuchtverfahren führt zu weiteren statistischen Schwankungen der Nanosäulendurchmesser und der Abschnittlängen. Die entstandene Zusammensetzung und Verspannung des (In,Ga)N-Mischkristalls wird durch Röntgenbeugung und resonant angeregte Ramanspektroskopie ermittelt. Infolge der Ungleichmäßigkeiten erfordert die Auswertung genaue Simulationsrechnungen. Eine einfache Näherung der mittleren Verspannung einzelner Abschnitte kann aus den genauen Rechnungen abgeleitet werden. Gezielte Verspannungseinstellung erfolgt durch die Wahl der Abschnittlängen. Die Wirksamkeit dieses allgemeingültigen Verfahrens wird durch die Bestimmung der Verspannung von (In,Ga)N-Abschnitten in GaN-Nanosäulen gezeigt.
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    A hybrid MBE-based growth method for large-area synthesis of stacked hexagonal boron nitride/graphene heterostructures
    (London : Nature Publishing Group, 2017) Wofford, Joseph M.; Nakhaie, Siamak; Krause, Thilo; Liu, Xianjie; Ramsteiner, Manfred; Hanke, Michael; Riechert, Henning; Lopes, J.; Marcelo, J.
    Van der Waals heterostructures combining hexagonal boron nitride (h-BN) and graphene offer many potential advantages, but remain difficult to produce as continuous films over large areas. In particular, the growth of h-BN on graphene has proven to be challenging due to the inertness of the graphene surface. Here we exploit a scalable molecular beam epitaxy based method to allow both the h-BN and graphene to form in a stacked heterostructure in the favorable growth environment provided by a Ni(111) substrate. This involves first saturating a Ni film on MgO(111) with C, growing h-BN on the exposed metal surface, and precipitating the C back to the h-BN/Ni interface to form graphene. The resulting laterally continuous heterostructure is composed of a top layer of few-layer thick h-BN on an intermediate few-layer thick graphene, lying on top of Ni/MgO(111). Examinations by synchrotron-based grazing incidence diffraction, X-ray photoemission spectroscopy, and UV-Raman spectroscopy reveal that while the h-BN is relaxed, the lattice constant of graphene is significantly reduced, likely due to nitrogen doping. These results illustrate a different pathway for the production of h-BN/graphene heterostructures, and open a new perspective for the large-area preparation of heterosystems combining graphene and other 2D or 3D materials.
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    In-situ transmission electron microscopy on high-temperature phase transitions of Ge-Sb-Te alloys
    (Berlin : Humboldt-Universität zu Berlin, 2018) Berlin, Katja
    Das Hochtemperaturverhalten beeinflusst viele verschiedene Prozesse von der Materialherstellung bis hin zur technologischen Anwendung. In-situ Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bietet die Möglichkeit, die atomaren Prozesse während struktureller Phasenübergänge direkt und in Realzeit zu beobachten. In dieser Arbeit wurde in-situ TEM angewendet, um die Reversibilität des Schmelz- und Kristallisationsprozesses, sowie das anisotropen Sublimationsverhaltens von Ge-Sb-Te (GST) Dünnschichten zu untersuchen. Die gezielte Probenpräparation für die erfolgreiche Beobachtung der Hochtemperatur-Phasenübergänge wird hervorgehoben. Die notwendige Einkapselung für die Beobachtung der Flüssigphase unter Vakuumbedingungen und die erforderliche sauberer Oberfläche für den Sublimationsprozess werden detailliert beschrieben. Außerdem wird die Elektronenenergieverlustspektroskopie eingesetzt um die lokale chemische Zusammensetzung vor und nach den Übergängen zu bestimmen. Die Untersuchung der Grenzflächenstruktur und Dynamik sowohl beim Phasenübergang fest-flüssig als auch flüssig-fest zeigt Unterschiede zwischen den beiden Vorgängen. Die trigonale Phase von GST weist beim Schmelzen eine teilweise geordnete Übergangszone an der fest-flüssig-Grenzfläche auf, während ein solcher Zwischenzustand bei der Erstarrung nicht entsteht. Außerdem läuft der Schmelzvorgang zeitlich linear ab, während die Kristallisation durch eine Wurzelabhängigkeit von der Zeit mit überlagerter Start-Stopp-Bewegung beschrieben werden kann. Der Einfluss der Substrat-Grenzfläche wird diskutiert und die Oberflächenenergie von GST bestimmt. Die anisotrope Dynamik führt beim Phasenübergang fest-gasförmig der kubischen Phase von GST zur Ausbildung stabiler {111} Facetten. Dies erfolgt über die Bildung von Kinken und Stufen auf stabilen Terrassen. Die Keimbildungsrate und die bevorzugten Keimbildungsorte der Kinken wurden identifiziert und stimmen mit den Voraussagen des Terrassen-Stufen-Kinken Modells überein.
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