Structural and optical characterization of Mg doped GaAs nanowires and the impact of the functionalization with Au nanoparticles

Abstract

GaAs, nanowires, nanotechnology, semiconductors, spectroscopy, photoluminescence, photoluminescence excitation, cathodoluminescence, Raman, nanoparticles, nanorods, functionalization, image charge effect.

O presente trabalho teve como objetivos principais: i) estudar o efeito da dopagem com Mg nas propriedades óticas e estruturais de nanofios de GaAs crescidos em substratos de Si(111); ii) avaliar as modificações nas propriedades óticas dos nanofios em resultado da funcionalização com nano varetas metálicas de ouro. No estudo foram utilizadas várias técnicas de caracterização: a microscopia eletrónica de varrimento, espetroscopia de Raman, fotoluminescência, excitação da fotoluminescência e catodoluminescência. Independentemente da concentração do dopante, os resultados experimentais da espetroscopia de Raman confirmaram a coexistência das fases de blenda de zinco (BZ) e de wurtzite (WZ) ao longo do eixo de crescimento dos nanofios. Espectroscopia de fotoluminescência revelou emissões abaixo da energia de hiato do GaAs na fase BZ. A natureza indireta das emissões, característica de um alinhamento tipo II das bandas eletrónicas da BZ e WZ, foi confirmada pela dependência da energia do máximo de emissão com a raiz cúbica da potência de excitação (P1/3). Os resultados experimentais da dependência da intensidade de PL com a potência revelaram que as emissões principais observadas são compatíveis com os modelos de recombinação de portadores free-to-bound ou a pares dador-aceitador na amostra menos dopada, e recombinações de excitões ligados a impurezas na amostra mais dopada. Os resultados de catodoluminescência, à temperatura ambiente, confirmaram a existência de diferentes emissões ao longo do eixo de crescimento dos fios, confirmando o politipismo estrutural. As emissões observadas em catodoluminescência concordam com as principais componentes identificadas em fotoluminescência. No estudo da fotoluminescência com a temperatura foram identificados diferentes canais de desexcitação não radiativa, cujos elevados valores de energias de ativação são consistentes com nanofios contendo segmentos muito finos de BZ. A funcionalização dos fios com nanovaretas metálicas de Au conduziu a um pequeno desvio para o azul na localização energética do máximo de emissão, mostrando que é possivel modificar as propriedades óticas dos nanofios de GaAs.