Structural Aspect of Formation of a Nanosystem of In/In₄Se₃ (100)

Self-assembled indium deposition-induced nanostructures are obtained on the UHV cleaved (100) surface of In₄Se₃ layered semiconductor crystals. The small indium-deposition rates and short deposition times are chosen to study growth orientation and origin of nanostructures observed by scanning tunnelling microscopy (STM) on the (100) surface of In₄Se₃ after indium deposition. The shape of these nanostructures strictly depends on the overstoichiometric indium concentration level in the melt during the crystal growth varying from 3D islands for low concentration to elongated shapes, i.e., nanowires, in the case of highly-indium-doped crystals. High-resolution STM study determines the self-assembled quasi-periodical nanowires’ growth along c-axis of (100)In₄Se₃ substrate. The spatially resolved scanning tunnelling spectroscopy (STS) study revealed metallic nature of the surface of nanostructures grown on the semiconductor substrate. The growth mechanism of indium-deposited nanostructures is considered to be powered by anisotropic striated lattice structure of In₄Se₃ (100) surface with indium nucleiin concentration depending on the degree of overstoichiometric crystal-growth indium subsequently intercalated into the interlayer gap.Самоорганизованные индиевые наноструктуры получены на сверхвысоковакуумной поверхности скалывания (100) полупроводникового слоистого кристалла In₄Se₃. Небольшие скорости и длительности напыления индия использовались с целью исследования ростовой ориентации и природы наноструктур на поверхности (100)In₄Se₃, которые изучались с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ). Форма этих наноструктур непосредственно зависит от концентрации сверхстехиометрического индия в расплаве во время роста кристалла, изменяясь от трёхмерных островков при низкой концентрации до линейных форм, т.е. нанопроводов, в случае сильно легированных индием кристаллов. СТМ з высоким разрешением позволяет установить, что квазипериодические нанопровода растут вдоль оси c кристалла In₄Se₃ на поверхности (100). С помощью сканирующей туннельной спектроскопии с пространственным разрешением установлена металлическая природа поверхностных наноструктур на полупроводниковой подкладке. Установлено, что механизм роста напылённых наноструктур обусловлен бороздчатой структурой решётки на поверхности (100) кристалла In₄Se₃ с наличием в ней зародышей индия в концентрации, зависящей от количества сверхстехиометрического ростового индия, который интеркалируется в межслоевую щель.Самоорганізовані індійові наноструктури одержано на надвисоковакуумній поверхні сколювання (100) напівпровідникового шаруватого кристалу In₄Se₃. Невеликі швидкості та тривалості напорошення індію вибиралися з метою дослідження ростової орієнтації та природи наноструктур на поверхні (100)In₄Se₃, які вивчали за допомогою сканувальної тунельної мікроскопії (СТМ). Форма цих наноструктур безпосередньо залежить від концентрації надстехіометричного індію в розтопі під час вирощування кристалу, змінюючись від тривимірних острівців за низької концентрації до лінійних форм, тобто нанодротів, у випадку сильно леґованих індієм кристалів. СТМ з високим розріжненням уможливлює встановити, що квазиперіодичні нанодроти ростуть вздовж осі c кристалу In₄Se₃ на поверхні (100). За допомогою сканувальної тунельної спектроскопії з просторовим розріжненням встановлено металічну природу поверхневих наноструктур на напівпровідниковій підкладинці. Встановлено, що механізм росту напорошених наноструктур зумовлений борознистою структурою ґратниці на поверхні (100) кристалу In₄Se₃ з наявністю у ній зародків індію у концентрації, яка залежить від кількости надстехіометричного ростового індію, що інтеркалюється у міжшарову щілину

Structural and energy changes at the cleavage surfaces of In₄Se₃ layered crystals under interface formation

Structural and energy changes at the cleavage surfaces of In₄Se₃ layered crystals during interface formation have been studied by means of the ultraviolet photo-electron spectroscopy (UPS) and low-energy electron diffraction. The unintentionally doped In₄Se₃ crystal cleavages exposed to atmosphere of ultrahigh vacuum chamber residual gases, treated by Ar ion sputtering and UV illumination show the differences in UPS spectra which might be attributed to transformations of electron energy structure of the surface. The analysis of the interface formation at In₄Se₃ cleavages is of importance due to the ability to obtain reliable results of the In₄Se₃ band mapping, avoiding the effect of the cleavage surface instability under UV, ion treatment and exposure to ultrahigh vacuum, that is unusual for layered crystals

Исследование гетеронаносистем металл–полупроводник NixInSe (0001)

Scanning tunnelling microscopy/spectroscopy (STM/STS) data show that InSe layered crystal intercalated with nickel is a heteronanosystem—InSe layer-packet that alternates with nickel at fine dispersed phase in the interlayer gap. For analysis of the degree of metallicity of cleavage surfaces, an array of STS data obtained in the current imaging tunnelling spectroscopy (CITS) mode is used. By significantly different behaviour of current–voltage curves for metal and semiconductor at localized points of surface analysis on the cleavage within the bias voltages that correspond to the band gap of the semiconductor, the method for the calculation of the relative metal concentration on the cleavage surface is proposed. The constraints for this method of the relative concentration estimates are analysed. As determined, the value of the nickel relative concentration in the interlayer gap for the NixInSe systems can be up to 2%, taking into account features of obtaining of the cleavage surfaces in the layered crystals. To establish the structural characteristics of the nickel, the STM analysis with high spatial resolution is used followed by the 2D FFT filtration and height profiling of image data. The analysis of corresponding revealed periodicities allows revealing formation of the two-dimensional square lattice of nickel on certain nanoscale areas of surface.С помощью методов сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии (СТМ/СТС) установлено, что слоистый кристалл InSe, интеркалированный никелем, является гетеронаносистемой — слой-пакетом InSe, который чередуется с никелем, находящимся в мелкодисперсной фазе в междуслоевой щели. С целью анализа степени «металличности» поверхности скалывания использован массив данных СТС, полученных в режиме CITS (current imaging tunnelling spectroscopy). По существенно различному поведению вольт-амперных кривых для металла и полупроводника в локальных точках анализа на поверхности скалывания, полученных в диапазоне напряжений смещения, которые соответствуют запрещённой зоне полупроводника, предложен метод расчёта относительных концентраций металла на поверхности скалывания. Проанализированы ограничения такого метода оценки относительных концентраций. Установлено, что величина относительной концентрации никеля в междуслоевой щели для систем NixInSe может достигать около 2%, учитывая особенности получения поверхностей скалывания для слоистого кристалла. С целью установления структурных характеристик никеля использован СТМ-анализ с высоким пространственным разрешением с последующей 2D-FFT-фильтрацией и высотным профилированием полученных изображений. Анализ соответствующих периодичностей позволил установить формирование двухмерной квадратной решётки в отдельных наномасштабных областях поверхности.За допомогою метод сканувальної тунельної мікроскопії та спектроскопії (СТМ/СТС) встановлено, що шаруватий кристал InSe, інтеркальований ніклем, представляє собою гетеронаносистему — шар-пакет InSe, який чергується з ніклем, що знаходиться у дрібнодисперсній фазі у міжшаровій щілині. Для аналізи ступеня «металічности» поверхні сколення використано масив даних СТС, одержаних у режимі CITS (current imaging tunnelling spectroscopy). За істотно різною поведінкою вольт-амперних кривих для металу та напівпровідника в локальних точках аналізи на поверхні відколу, одержаних у діяпазоні напруг зміщення, які відповідають забороненій зоні напівпровідника, запропоновано методу обрахунку відносних концентрацій металу на поверхні сколення. Проаналізовано обмеження такої методи оцінювання відносних концентрацій. Встановлено, що величина відносної концентрації ніклю у міжшаровій щілині для систем NixInSe може досягати близько 2%, враховуючи особливості одержання поверхонь сколення для шаруватого кристалу. Для встановлення структурних характеристик ніклю використано СТМ-аналізу з високою просторовою роздільчою здатністю з наступною 2D-FFT-фільтрацією і висотним профілюванням одержаних зображень. Аналіза відповідних періодичностей уможливила виявити формування двовимірної квадратної ґратниці ніклю на окремих наномасштабних ділянках поверхні

Indium induced nanostructures on In₄Se₃(100) surface studied by scanning tunneling microscopy

Indium deposition leads to changes in the scanning tunneling microscopy (STM)-revealed (100) surface morphology of In₄Se₃ layered semiconductor with the formation of nanostructures, which are characterized by different dimensionality dependent on different crystal growth conditions. Preferable formation of nanodots in low and quasi one dimensional (1D) structures for the high bulk-conductivity crystals has been observed. The STM and scanning tunneling spectroscopy data enable us to consider that the dimensionality, shape and direction of the obtained indium deposition structures are induced by indium clusters available on the original, on-the-lattice-scale furrowed, ultra high vacuum (UHV) (100) cleavages of In₄Se₃ crystal due to the self-intercalation phenomenon

Формування наносистеми In/InTe методом вторинного твердотільного змочування

Для формування наносистеми In/InTe застосовано метод вторинного твердотільного змочування як перспективний спосіб отримання наноструктур. Фазово-елементний склад та структурна досконалість вихідної поверхні InTe характеризувались методами Х-променевої фотоелектронної спектроскопії, дифракції повільних електронів та атомно-силової мікроскопії. Методом дифракційного Х-променевого структурного і фазового аналізів встановлено тетрагональну кристалічну структуру InTe типу TlSe (просторова група I4/mcm, параметри гратки a = 8,4414(6) Å, c = 7,1333(5) Å). Дослідження за допомогою скануючої тунельної мікроскопії вихідної поверхні InTe (001), як такої, що використовується як упорядкований шаблон після термічного осадження індію, показують, що форма та розташування індукованих індієм наноструктур визначаються квадратною симетрією поверхневої гратки, що визначається тетрагональною об'ємною граткою InTe. Встановлено утворення нанорозмірних 0D-структур в результаті процесу вторинного твердотільного змочування внаслідок нагрівання поверхні вище температури плавлення індію. Скануюча тунельна спектроскопія виявляє кореляцію між кінетикою покриття індієм та збільшенням на поверхні InTe (001) величини густини станів у забороненій зоні InTe.Solid-state dewetting (SSD) method as a promising way to obtain nanostructures was applied for the formation of In/InTe nanosystem. The phase-elemental composition and structural perfection of the initial InTe surface were characterized by X-ray photoelectron spectroscopy, low energy electron diffraction (LEED) and atomic force microscopy (AFM). X-ray diffraction (XRD) studies revealed the InTe tetragonal crystal structure of the TlSe type (I4/mcm space group, lattice parameters a = 8.4414(6) Å, c = 7.1333(5) Å). Scanning tunneling microscopy (STM) studies of the initial InTe (001) surface and the same one used as an ordered template after thermal indium deposition showed that the shape and arrangement of indiuminduced nanostructures are powered by square surface lattice symmetry as derived from a tetragonal InTe bulk one. We observed the formation of nanosized 0D structures as a result of the SSD process due to surface heating above the indium melting point. The scanning tunnelling spectroscopy (STS) revealed correlation between indium coverage kinetics and an increase in the amount of density of states (DOS) at the surface within the band gap of InTe

Investigation of (100) In₄Se₃ crystal surface nanorelief

The crystallography and topography of the (100) cleavage surfaces of layered semiconductor In₄Se₃ crystal have been studied by low energy electron diffraction (LEED), scanning tunnelling and atomic-force microscopy (STM, AFM) in ultrahigh vacuum (UHV). The structure of surface LEED patterns, shape and dimensions of subsequent STM- and AFMprofiles agree well with the lattice parameters derived from the bulk crystal structure obtained by X-ray diffraction. The local density of states and band gap for (100) In₄Se₃ have been obtained by scanning tunnelling spectroscopy and point to the same integral gap value as for bulk crystal. The STM/STS results evidence the stability of interlayer cleavage surface and confirm that anisotropic striated low conductive cleavage surfaces might be suitable as matrices/templates in formation of surface nanowires or nanostructures.Кристалографію та топографію поверхонь (100) сколювання кристалів шаруватих напівпровідників In₄Se₃ досліджено методами дифракції повільних електронів (ДПЕ), скануючої тунельної та атомно-силової мікроскопій (СТМ, АСМ) у надвисокому вакуумі. Структура рефлексів ДПЕ, форма і характерні розміри в одержаних СТМ- та АСМ-профілях поверхонь сколювання відповідають структурі і параметрам гратки, одержаним для кристалів In₄Se₃ орторомбічної структури методом ренгенівської дифракції. Локальна густина електронних станів і ширина забороненої зони для поверхонь сколювання (100) In₄Se₃, що отримані методом скануючої тунельної спектроскопії (вказують на їі інтегральну величину, таку ж як для об'ємних кристалів. Результати ДПЕ, СТМ/АСМ вказують на стабільність міжшарових поверхонь сколювання та перспективність використання слабкопровідних борознистих анізотропних сколів як матриць/шаблонів для формування поверхневих нанодротів та наноструктур.Кристаллография и топография поверхностей (100) скалывания кристаллов слоистых полупроводников In₄Se₃ исследованы методами дифракции медленных электронов (ДМЭ), сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопий (СТМ, АСМ) в сверхвысоком вакууме. Структура рефлексов ДМЭ, форма и характерные размеры в полученных СТМ- и АСМ-профилях поверхностей скалывания хорошо согласуются со структурой и параметрами решетки, полученными для кристаллов In₄Se₃ орторомбической структуры методом рентгеновской дифракции. Локальная плотность электронных состояний и ширина запрещенной зоны для поверхностей скалывания (100) In₄Se₃, полученная методом сканирующей туннельной спектроскопии, указывают на ее интегральное значение, такое же как для объемных кристаллов. Результаты ДМЭ, СТМ/АСМ указывают на стабильность междуслоевых поверхностей скалывания и перспективность использования слабо проводящих бороздчатых анизотропных сколов в качестве матриц/шаблонов для формирования поверхностных нанопроволок или наноструктур

Investigation of (100) In₄Se₃ crystal surface nanorelief

The crystallography and topography of the (100) cleavage surfaces of layered semiconductor In₄Se₃ crystal have been studied by low energy electron diffraction (LEED), scanning tunnelling and atomic-force microscopy (STM, AFM) in ultrahigh vacuum (UHV). The structure of surface LEED patterns, shape and dimensions of subsequent STM- and AFMprofiles agree well with the lattice parameters derived from the bulk crystal structure obtained by X-ray diffraction. The local density of states and band gap for (100) In₄Se₃ have been obtained by scanning tunnelling spectroscopy and point to the same integral gap value as for bulk crystal. The STM/STS results evidence the stability of interlayer cleavage surface and confirm that anisotropic striated low conductive cleavage surfaces might be suitable as matrices/templates in formation of surface nanowires or nanostructures.Кристалографію та топографію поверхонь (100) сколювання кристалів шаруватих напівпровідників In₄Se₃ досліджено методами дифракції повільних електронів (ДПЕ), скануючої тунельної та атомно-силової мікроскопій (СТМ, АСМ) у надвисокому вакуумі. Структура рефлексів ДПЕ, форма і характерні розміри в одержаних СТМ- та АСМ-профілях поверхонь сколювання відповідають структурі і параметрам гратки, одержаним для кристалів In₄Se₃ орторомбічної структури методом ренгенівської дифракції. Локальна густина електронних станів і ширина забороненої зони для поверхонь сколювання (100) In₄Se₃, що отримані методом скануючої тунельної спектроскопії (вказують на їі інтегральну величину, таку ж як для об'ємних кристалів. Результати ДПЕ, СТМ/АСМ вказують на стабільність міжшарових поверхонь сколювання та перспективність використання слабкопровідних борознистих анізотропних сколів як матриць/шаблонів для формування поверхневих нанодротів та наноструктур.Кристаллография и топография поверхностей (100) скалывания кристаллов слоистых полупроводников In₄Se₃ исследованы методами дифракции медленных электронов (ДМЭ), сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопий (СТМ, АСМ) в сверхвысоком вакууме. Структура рефлексов ДМЭ, форма и характерные размеры в полученных СТМ- и АСМ-профилях поверхностей скалывания хорошо согласуются со структурой и параметрами решетки, полученными для кристаллов In₄Se₃ орторомбической структуры методом рентгеновской дифракции. Локальная плотность электронных состояний и ширина запрещенной зоны для поверхностей скалывания (100) In₄Se₃, полученная методом сканирующей туннельной спектроскопии, указывают на ее интегральное значение, такое же как для объемных кристаллов. Результаты ДМЭ, СТМ/АСМ указывают на стабильность междуслоевых поверхностей скалывания и перспективность использования слабо проводящих бороздчатых анизотропных сколов в качестве матриц/шаблонов для формирования поверхностных нанопроволок или наноструктур