Scanning Tunneling Microscopy and Luminescence of ... liminary results of tunneling current induced

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  • POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES

    acceptée sur proposition du jury:

    Prof. R. Schaller, président du jury Prof. K. Kern, directeur de thèse

    Prof. A. Fontcuberta i Morral, rapporteur Prof. A. Mews, rapporteur

    Prof. M. Morgenstern, rapporteur

    Scanning Tunneling Microscopy and Luminescence of Individual Nanostructures

    THÈSE NO 4969 (2011)

    ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE

    PRÉSENTÉE LE 31 MARS 2011

    À LA FACULTÉ SCIENCES DE BASE LABORATOIRE DE SCIENCE À L'ÉCHELLE NANOMÉTRIQUE

    PROGRAMME DOCTORAL EN PHYSIQUE

    Suisse 2011

    PAR

    Theresa LUTz

  • Abstract

    A detailed investigation and characterization of the local properties of indi- vidual nanoscopic structures is of great importance for the understanding of novel physical phenomena at the nanoscale as well as for the assessment of their possible use in future applications. A unique tool for the study of such structures are scanning probe methods. These methods do not only allow to obtain atomic scale information in both topographic and spectroscopic mea- surements at surfaces, but can also be employed for example to stimulate local photon emission. In this thesis the growth mechanism of inorganic and organic semiconductor nanostructures and the relation between their local structure and their electronic and optical properties is investigated by scan- ning probe techniques. In the first part of this thesis, the growth as well as the local electronic and morphologic properties of InAs/GaAs(001) quantum dots grown by molecu- lar beam epitaxy are described. The recorded spectra show evidence of the discretization of the density of states that can be attributed to the zero di- mensional confinement of charge carriers to the quantum dots. Moreover, the shape evolution of the quantum dots during the controlled removal of mate- rial through an in situ etching gas is studied. High resolution topographic images reveal that hereby an island shape transition takes place. This shape evolution is found to be the reverse of the shape evolution that typically takes place during the growth, indicating that thermodynamic factors play an important role during the growth process and the etching process. In addition, the mechanism of the material removal from the quantum dots is investigated in detail by the analysis of the size evolution of the islands as a function of the nominal amount of etched material. The second part of this thesis is dedicated to the study of individual CdSe nanowires grown by the solution-liquid-solid approach. These nanowires con- sist of small alternating sections of wurtzite and zincblende lattice structures. This structural arrangement also leads to an alternating electronic structure in the form of a type II band alignment along the long axis of the nanowires. The local electronic properties of the nanowires are analyzed by scanning tun- neling spectroscopy. Tunneling current induced luminescence spectra from individual nanowires are acquired by the injection of holes and electrons and their subsequent radiative recombination. In contrast to previous studies on similar systems, the coupling of tip induced plasmons to the radiation pro- cess is not required. The shape and the position of the luminescence spectra is compared to photoluminescence spectra and Raman measurements. The

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    photon energy is found to decrease with increasing wire diameter indicating quantum confinement of the charge carriers to the wire. The bulk bandgap, that can be extrapolated from the energy vs. diameter dependence of the emission peaks, indicates that the photons are emitted from zincblende type CdSe sections. Moreover, the diameter dependence reveals that the emission stems from carriers that are confined to quantum dot like parts of the wires. The lack of light emission from the wurtzite type segments is also reflected in the appearance of non-luminescent regions in the NW as shown by spatially resolved light intensity maps. Possible mechanisms for the light excitation are discussed. The investigation of single molecules of the luminescent organic emitter tris- (2-phenylpyridine)iridium(III) (Ir(ppy)3) is the topic of the last part of this thesis. To this end, Ir(ppy)3 molecules are deposited onto metal substrates and different types of thin insulating layers. Besides their structural and elec- tronic characterization, the optical properties of single molecules are studied by tunneling current induced luminescence. No intrinsic light emission origi- nating from the molecules can be observed neither on metal substrates nor on thin insulating layers. This indicates that in these systems, the molecules are still not sufficiently decoupled from the underlying metallic substrate. Pre- liminary results of tunneling current induced luminescence measurements of Ir(ppy)3 molecules on multilayers of C60 show great promise for exciting light emission on single molecules.

    Keywords: Scanning Probe Microscopy, Tunneling Current Induced Lu- minescence, InAs/GaAs(001) Quantum Dots, III-V Semiconductors, Self- Organized Growth, CdSe Nanowires, II-VI Semiconductors, Ir(ppy)3, Iridium Compounds, Organic Semiconductors

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    Zusammenfassung

    Die umfassende Untersuchung und Charakterisierung der lokalen Eigenschaf- ten von einzelnen Nanostrukturen ist von großer Bedeutung für das Ver- ständnis neuer physikalischer Phänomene auf der Nanoskala sowie um ihren möglichen Nutzen für zukünftige Anwendungen einschätzen zu können. Ein einzigartiges Instrument für die Untersuchung solcher Strukturen sind Ras- tersondenmethoden. Diese Methoden erlauben es nicht nur Informationen auf der atomaren Skala in topographischen sowie spektroskopischen Messun- gen an Oberflächen zu erhalten, sondern können beispielsweise auch dafür verwendet werden die lokale Emission von Photonen anzuregen. Die vorlie- gende Doktorarbeit beschäftigt sich mit dem Wachstumsmechanismus von inorganischen und organischen Halbleiternanostrukturen. Zudem wird der Zusammenhang der lokalen Struktur und der elektronischen und optischen Eigenschaften dieser Strukturen mit Rastersondentechniken untersucht. Im ersten Teil dieser Arbeit sind das Wachstum sowie die lokalen elektro- nischen und morphologischen Eigenschaften von Molekularstrahlepitaxie ge- wachsenen InAs/GaAs(001) Quantenpunkten beschrieben. Die Diskretisie- rung der Zustandsdichte auf Grund der null-dimensionalen Einschränkung der Ladungsträger in den Quantenpunkten kann aus den Messergebnissen abgeleitet werden. Zudem wird die morphologische Entwicklung der Quan- tenpunkte, während dem kontrollierten Entfernen von Material durch ein in-situ Ätzgas, untersucht. Hochaufgelöste topographische Aufnahmen zei- gen, dass dabei eine Transformation der Inselform stattfindet. Es stellt sich heraus, dass die Entwicklung der Inselform umgekehrt abläuft als die, die typischerweise während des Wachstums auftritt. Das zeigt, dass der Wachs- tumsprozess, als auch der Ätzprozess, stark von thermodynamischen Fakto- ren bestimmt wird. Des Weiteren wird der Mechanismus des Materialabtrags von den Quantenpunkten im Detail untersucht. Dies geschieht durch die Ana- lyse der Größenentwicklung der Quantenpunkte als Funktion der nominellen Menge des abgetragenen Materials. Der zweite Teil dieser Doktorarbeit ist der Studie einzelner CdSe Nanodrähte gewidmet, die mit dem sogenannten ‘solution-liquid-solid’ Verfahren herge- stellt worden sind. Diese Nanodrähte bestehen aus alternierenden Abschnit- ten von Wurtzit- und Zinkblende-Kristallgittern. Diese strukturelle Anord- nung hat eine ebenfalls alternierende elektronische Struktur in Form einer Typ II Bandstruktur in Richtung der Längsachse des Nanodrahtes zur Folge. Die lokalen elektronischen Eigenschaften der Nanodrähte werden mit Ras- tertunnelspektroskopie untersucht. Lumineszenz-Spektren, welche an einzel-

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    nen Nanodrähten durch den Tunnelstrom induziert werden, werden durch die Injektion von Löchern und Elektronen und deren darauffolgender Re- kombination ermöglicht. Im Gegensatz zu bereits veröffentlichten Studien an ähnlichen Systemen ist die Kopplung von spitzeninduzierten Plasmonen an den Strahlungsprozess nicht notwendig. Die Form und die energetische Lage der Lumineszenzspektren wird des Weiteren mit Photolumineszenzspektren und Raman-Messungen verglichen. Es zeigt sich auerdem, dass die Ener- gie der Photonen mit größer werdendem Drahtdurchmesser abnimmt, was auf Quantenconfinement der Ladungsträger im Draht hinweist. Mit Hilfe der Extrapolation der Abhängigkeit der Emissionsenergie vom Durchmes- ser, kann auf die Bandlücke geschlossen werden, welche sich im Falle eines dreidimensionalen System einstellen wird. Diese zeigt, dass die Photonen von den Zinkblende-Bereichen emittiert werden. Zudem kann man von die- ser Durchmesserabhängigkeit ableiten, dass die Lichtemission von Ladungs- trägern stammt, die auf Quantenpunktartige Abschnitte in den Drähten ein- geschränkt sind. Die fehlende Lichtemission von den Wurtzit-Abschnitten spiegelt sich zudem im Auftreten nicht-strahlender Bereiche des Drahtes wi- der, was durch räumlich aufgelöste Messungen der Lichtintensität gezeigt werden kann. Mögliche Mechanismen der Lichtanregung werden diskutiert. Die Untersuchung einzelner Moleküle des lumineszierenden organischen Ma- terials Tris-(2-Phenylpyridin)Iridium(III) (Ir(ppy)3) ist das Thema des letz- ten Teils dieser Doktorarbeit. Dazu werden Ir(ppy)3-Moleküle auf Metall- substrate und auf verschiedene dünne Isolatorschichten aufgedampft. Neben deren strukturellen und elektronischen Charakterisierung, werden die opti- schen Eigenschaften durch Verwendung tunnelstromi