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Main Title: Silicon Nanowire Properties from Theory and Experiment
Translated Title: Eigenschaften von Silizium Nanodrähten aus Theorie und Experiment
Author(s): Scheel, Harald
Advisor(s): Thomsen, Christian
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät II - Mathematik und Naturwissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Diese Dissertation beschäftigt sich mit den Eigenschaften von Silizium Nanodrähten (SiND). Die Arbeit ist in zwei Teile gegliedert, wobei sich der erste Teil mit Berechnungen der Struktur und der elektronischen Eigenschaften beschäftigt. Der zweite Teil fasst Ergebnisse von ramanspektroskopischen Untersuchungen an diesen Strukturen zusammen. Silicium Nanodrähte sind zylinderförmige Strukturen mit einem Durchmesser von einigen Nanometern und einer Länge von bis zu einigen Mikrometern. Durch diese enorm kleinen abmessungen ergeben sich neue, zum Teil sehr interessante Eigenschaften, die von großem Nutzen für zukünftige Anwendungen, wie zum Beispiel schnelle Prozessoren, sein können. Hier war in den letzten Jahren vor allem die Äderung der elektronischen Bandstruktur durch die Miniaturisierung, das so genannte confinement, von Interesse, da sich die Leuchteigenschaften entscheidend verbessern lassen könnten. Entsprechende Eigenschaften wurden bereits im verwandten System des Porösen Siliciums zu Beginn der 90er Jahre gemacht. Im ersten Teil dieser Arbeit wird neben der Bestimmung von grundlegenden strukturellen Eigenschaften der SiND, die ebenfalls stark von ihrer Größe beeinflusst werden, vornehmlich die Änderung der elektronischen Bandstruktur durch die Einschränkung der Dimensionen auf den Nanometerbereich diskutiert. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass nur eine bestimmte Form der SiND, nämlich solche die in [001] Richtung gewachsen sind, die nötigen Voraussetzungen aufweisen, die für verbesserte optische Eigenschaften erforderlich sind. Die Vielzahl der anderen möglichen Wachstumsrichtungen sind hingegen, so wie das Silizium Volumenmaterial, durch eine indirekte Bandlücke gekennzeichnet und weisen somit schlechte optische Eigenschaften auf. Die Raman Untersuchungen des zweiten Teils sind durch eine kontrovers geführte Debatte in der wissenschaftlichen Gemeinschaft motiviert. Zahlreiche Autoren haben mittels der Ramanspektroskopie versucht, auf die Durchmesserverteilung der SiND in ihren Proben zu schließen. Die Untersuchungen in dieser Arbeit zeigen jedoch, dass bei üblichen Laseranregungsleistungen, ausschließlich temperaturinduzierte Effekte beobachtbar sind. Die Effekte des Phononen-Confinement bleiben hingegen vollständig verdeckt. Die Untersuchungen haben darüber hinaus eine sehr starke Empfindlichkeit der Ramanspektren für die in der Umgebung vorhandenen Gase gezeigt. Detaillierte Messungen zeigen, dass SiND für den Einsatz als Gasdetektoren geeignet sind.
Silicon has played an outstanding role at the end of the 20th century and is still one of the most important components for micro computing. In recent years the ability to miniaturize semiconductor structures and devices to nanometer length scales has opened an all new field of physics, i.e. nanoscience. Simply by miniaturizing the size of semiconducting structures the physics describing electronic or vibronic properties has to be altered fundamentally leading to new phenomena and interesting effects. For silicon the two major mile-stones where the fabrication of porous silicon and later the fabrication of free-standing silicon nanowires. The intense research concerning the fabrication of silicon nanowires has led to single crystalline nanowires with diameters of only a few nanometers. The hope that drove these intense research efforts where to find efficient photonic properties in these quantized systems. In the first part of this work detailed theoretical investigations are presented for the commonly observed ([111] and [112]) representatives of free-standing and for the most frequently discussed ([001]) silicon nanowires not (so far) observed as free standing wires. Using density functional theory in the local density approximation the electronic properties as well as the structural changes due to the reduced dimensionality of silicon nanowires are calculated and discussed. The comparison to recent experimental, scanning tunneling experiments reveal a fundamental discrepancy between the calculated band structures and experimental findings. With our results we are able to explain these differences. Raman investigations on silicon nanowires where in a state of controversial discussion about the origin of observed red shifted spectra. Various contributions like quantum confinement, photo excitation and thermal effects where discussed. The second part of this thesis contributes to this discussion, with detailed laser power dependent Raman spectroscopic investigations. The surprisingly strong dependence of the Raman spectrum, involving the TO/LO peak at 520 1/cm, on laser excitation power shows a complex relation to the thermal properties of the entire experimental setup. The thermal contact to a possible heat sink (like the sample substrate or surrounding media) in the investigated SiO2 embedded silicon nanowires shows to play a pronounced role. Yielding an assignment of the gas surrounding the silicon nanowire sample by its thermal conductivity demonstrating the potential of silicon nanowires as gas sensor material.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-16592
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1988
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1691
Exam Date: 10-Sep-2007
Issue Date: 4-Oct-2007
Date Available: 4-Oct-2007
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): DFT
Nano
Raman
Silizium
DFT
Nano
Raman
Silicon
Wires
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