Isotope Engineering and Lattice Disorder in Group IV Nanoscale and Quantum Semiconductors

L'ingénierie des isotopes stables est la manipulation artificielle de la composition et de la distribution des isotopes stables d'un élément dans la maille cristalline d'un matériau donné. Au cours des deux dernières décennies, de nombreuses études conduites sur des semi-conducteurs monocristallins ont montré que de telles modifications peuvent altérer considérablement leurs propriétés fondamentales comme les propriétés nucléaires, le comportement des phonons, le diagramme des bandes d'énergie et le paramètre de maille. Ces développements ont permis un nouvel élan d'innovation et d'applications potentielles exploitant l'ingénierie isotopique dans le transport thermique et thermoélectrique, dans l'optoélectronique, et dans le traitement quantique de l'information, parmi tant d'autres. L'essentiel de la littérature relative à l'ingénierie des isotopes à l'échelle quantique ou nanoscopique se concentre principalement sur des investigations théoriques. A ce jour, les études expérimentales demeurent absentes malgré leur importance dans l'élucidation d'un vaste éventail de phénomènes quantiques et nanoscopiques. Dans cette thèse, nous explorons ce paradigme méconnu en concentrant nos expérimentations sur les propriétés de base des structures dont la composition isotopique est contrôlée à l'échelle nanoscopique. Des nanofils isotopiquement pures de 29Si ou d'alliage isotopique 28Six30Si1-x ont été synthétisés à l'aide de la méthode vapeur-liquide-solide et leurs propriétés de transport des phonons ont été étudiées en utilisant la nanothermométrie Raman. La composition et la distribution isotopiques des nanofils individuels ont été déterminées à l'aide de la sonde atomique tomographique assistée par laser. Cependant, avant que la sonde atomique tomographique ne soit appliquée pour imager les isotopes dans un nanofil, l'utilisation de cette technique unique, mais néanmoins extrêmement délicate, a été d'abord optimisée grâce à deux systèmes additionnels. Le premier système de matériaux consiste en un super réseau isotopique de diamant, et le deuxième est une série d'alliages ternaires métastables de silicium-germanium-étain. Ces recherches nous ont permis non seulement de développer nos connaissances et notre maîtrise de la sonde atomique tomographique, mais également de faire des nouvelles découvertes intéressantes. En exploitant l'imagerie tridimensionnelle atomique d'alliages ternaires métastables, nous avons obtenu des preuves solides que ces alliages sont parfaitement monocristallins et croissent sans agrégats d'étain même pour des concentrations supérieures à la composition attendue de vii l'équilibre thermodynamique.

Abstract

Stable isotope engineering refers to the artificial manipulation of the content and distribution of the stable isotopes of an element within the lattice of a material. Over the last two decades, numerous studies conducted on bulk semiconductors have shown that exercising such a control can significantly alter the fundamental behavior of a material such as the nuclear properties, phonon behavior, electronic energy gaps, and lattice constant. Consequently, a myriad of opportunities emerged from this isotopic engineering of semiconductors enabling a variety of novel and potential applications such as thermal transport and thermoelectric, optoelectronics, and quantum information processing, to name a few. The body of literature related to isotope engineering in nanoscale materials is made primarily of theoretical investigations. Till date, the experimental investigations remain conspicuously missing, despite the fact that the combination of mass-related effects and size-related effects can provide a rich playground to uncover and harness a wide range of new nanoscale and quantum phenomena. In this thesis, we unfold this unexplored paradigm by focusing our experimental investigations on the basic lattice properties of isotopically programmed nanoscale structures. The isotopically pure Si 29 and mixed Six 28Si1−x 30 nanowires were synthesized using the metal catalysed vapor-liquid-solid method and the phonon transport in these nanowires was studied using Raman nanothermometry. The isotopic composition and distribution within an individual nanowire was investigated using laser-assisted atom probe tomography. However, before the atom probe tomography could be implemented to map the isotopes within a nanowire, the experimental capabilities of this unique yet extremely challenging technique were first optimized in two additional systems. The first material system consists of diamond isotopic superlattice and the second, a set of ternary metastable silicon-germanium-tin alloys. These investigations not only equipped us with the science and the practice of atom probe tomography, but also had some interesting revelations of their own. Based on the atom-by-atom three-dimensional mapping of ternary metastable alloys, we obtained clear evidence that these alloys grew without any tin clustering even at contents larger than the equilibrium composition. However, with the increase in tin content, the silicon distribution within these alloys was found to deviate from the ideal theoretical distribution. The root cause of this short-range atomic ordering is the presence of a repulsive interaction between silicon and tin x atoms.