Growth, structure and lattice dynamics of iron silicide nanostructures

In der vorliegenden Arbeit wird die Gitterdynamik von Nanostrukturen der Eisen-Silizium-Verbindungen Fe$_3$Si, $\alpha$-FeSi$_2$, und $\beta$-FeSi$_2$ untersucht. Ein umfassendes Verständnis des Einflusses einer räumlichen Beschränkung auf die Nanometerskala auf die Gitterdynamik ist Voraussetzung für die Nutzung dieser Materialien in nanoskaligen elektronischen Bauteilen sowie für die angestrebte gezielte Manipulation der Schwingungseigenschaften von Nanostrukturen.

Monokristalline Nanostrukturen der untersuchten Materialien werden mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt und mit komplementären Methoden umfassend auf ihre strukturellen Eigenschaften charakterisiert.
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Die partielle Fe Phononenzustandsdichte (PDOS) der Nanostrukturen wird mittels unelastischer Kernstreuung erhalten, einer Technik, die in einzigartiger Weise für die Messung des inhärent kleinen Streuvolumens von Nanostrukturen
geeignet ist. Die Kenntnis der PDOS ermöglicht die Bestimmung fundamentaler thermodynamischer und elastischer Eigenschaften, unter anderem der mittleren Kraftkonstante, der mittleren quadratischen Auslenkung, der Wärmekapazität des Gitters und der Schallgeschwindigkeit. Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit ab initio Berechnungen erlaubt es eine Korrelation zwischen den strukturellen Eigenschaften der Nanostrukturen und den beobachteten Abweichungen ihrer Gitterdynamik von den dazugehörigen Volumenkristallen herzustellen.

Mit diesem Ansatz werden die Gitterdynamik der Fe$_3$Si/GaAs Heterostruktur, von $\alpha$-FeSi$_2$ Nanoinseln und Nanodrähten sowie von $\beta$-FeSi$_2$ Nanostäben untersucht. Dabei werden zwei allgemeine Phänomene identifiziert:
Erstens resultiert die Erhöhung des Grenzflächen-/Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnisses in einem signifikanten Einfluss von Grenzflächen- und Oberflächen-spezifischen Schwingungsmoden auf die gesamte PDOS. Zweitens führt die kristalline Unordnung an Grenzflächen und Oberflächen zu einer verstärkten Streuung von Phononen an Defekten und einer Dämpfung der PDOS. Als Resultat zeigen die thermodynamischen und elastischen Eigenschaften eine "Aufweichung" des Gitters als Funktion der Kristallgröße, was durch eine erhöhte mittlere quadratischen Auslenkung und eine reduzierte Schallgeschwindigkeit belegt wird.

Darüber hinaus offenbart die Untersuchung der Fe$_3$Si/GaAs Heterostruktur das Auftreten von Grenzflächen-spezifischen Schwingungsmoden an epitaktischen, verspannungsfreien Grenzflächen. In $\alpha$-FeSi$_2$ Nanostrukturen wird nach der Reduktion der charakteristischen Kristallgröße unter 10$\,$nm eine anormal starke Dämpfung akustischer Phononen beobachtet. Nanodrähte desselben Materials weisen eine anisotrope Dämpfung von Gitterschwingungen entlang und quer zu den Nanodrähten auf. Die Untersuchung von $\beta$-FeSi$_2$ Nanostäben offenbart das Auftreten einer neuen Schwingungsmode bei niedrigen Energien, die der Bildung einer Fe-reichen Zwischenlage zugeschrieben wird.

In the present thesis, the lattice dynamics of nanostructures of the iron-silicide compounds Fe$_3$Si, $\alpha$-FeSi$_2$, and $\beta$-FeSi$_2$ is investigated. A comprehensive understanding of the effect of spatial confinement to the nanometer scale on the lattice dynamics is a prerequisite for the application of these materials as nanoscale device components, as well as for the envisaged specific manipulation of the vibrational properties of nanostructures.

Single-crystalline nanostructures of the investigated materials are grown via molecular-beam epitaxy and their structural properties are comprehensively characterized with complementary methods. ... mehrThe Fe-partial phonon density of states (PDOS) of the nanostructures is obtained by nuclear inelastic scattering, a technique uniquely suitable for the measurement of the inherently small scattering volume available in nanostructures. Knowledge of the PDOS enables the determination of fundamental thermodynamic and elastic properties, inter alia the mean force constant, the mean square displacement, the lattice heat capacity, and the velocity of sound. The comparison of the experimental results with ab initio calculations allows to establish a correlation between the structural properties of the nanostructures and the observed deviations of their lattice dynamics from the corresponding bulk crystals.
With this approach, the lattice dynamics of the Fe$_3$Si/GaAs heterostructure, $\alpha$-FeSi$_2$ nanoislands and nanowires, and $\beta$-FeSi$_2$ nanorods is investigated. Two general trends are identified. First, the increase of the interface/surface-to-volume ratio results in a significant impact of interface- and surface-specific vibrational modes on the overall PDOS. Second, the crystalline disorder present at interfaces and surfaces leads to an enhanced defect scattering of phonons and a broadening of the PDOS features. As a result, the thermodynamic and elastic properties show a softening of the lattice as the crystal size is reduced, which is evidenced by an increased mean square displacement and a reduced velocity of sound.

Furthermore, the study of the Fe$_3$Si/GaAs heterostructure reveals the emergence of an interface-specific vibrational density of states at epitaxial, strain-free interfaces. In $\alpha$-FeSi$_2$ nanostructures an anomalously strong damping of acoustic phonons is observed upon reduction of the crystal size below 10$\,$nm. Nanowires of the same compound exhibit an anisotropic damping of lattice vibrations along and across the nanowires. The investigation of $\beta$-FeSi$_2$ nanorods reveals the emergence of a new vibrational mode at low energies, which is attributed to the formation of an interstitial Fe-rich layer.