Diffusion of zinc in gallium arsenide: A new model

Gösele, U.; Morehead, F. F.

doi:10.1063/1.329340

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“…Hierbei ist anzumerken, dass die Oktaederlücken für Cadmiumionen im ZnSe-Gitter das bessere Platzangebot darstellen. Die auf den Zwischengitterplätzen beweglichen Cadmiumionen kçnnen dann über einen "Kick-out"-Mechanismus [25,26] Zinkionen von ihren Gitterplatz verdrängen, wobei die Zinkionen über Zwischengitterplätze den Nanokristall verlassen. Die Mischkristallbildung erfordert eine statistische Verteilung der Cadmiumionen im ZnSe-Gitter, bevor der eigentliche Austausch erfolgt.…”

Section: Angewandte Chemieunclassified

Festkörperchemie auf der Nanoskala: Ionentransport über Zwischengitterplätze oder Leerstellen?

et al. 2015

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Wieso kçnnen Ionenaustauschprozesse in Nanokristallen unter Erhaltung von Form und Grçße erfolgen, und wieso ist der Ionentransport viel schneller, als man es von klassischen Interdiffusionsprozessen in makrokristallinen Festkçrpern erwarten würde? Wirh aben diese Prozesse auf der molekularen Skala anhand einiger Modellreaktionen mittels hochauflçsender und analytischer Elektronenmikroskopie in temperaturabhängigenk inetischen Untersuchungen verfolgt. Die Ergebnisse belegen eindeutig einen ausschließlich über Zwischengitterplätzee rfolgenden Diffusionsprozess,g efolgt von einem "Kick-out" zur Verdrängung einzelner Ionen von Gitterplätzen, das ohne Bildung von Leerstellen auskommt und für nanokristalline Systeme bisher nochn icht diskutiert wurde.Nanokristalle eignen sich hervorragend für das Studium von Festkçrperreaktionen. Nicht nur die Tatsache,d ass das große Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis die thermodynamischen Eigenschaften maßgeblich bestimmt, sondern auch, dass die Partikel als sehr einheitliche Einkristalle vorliegen und dass man spektroskopische und analytische Methoden wie in homogener Lçsung einsetzen kann, führten bereits in den 90er Jahren zu eindrucksvollen Erkenntnissen. So konnte man ein sehr detailliertes Bild der druckinduzierten Phasenumwandlung von hexagonalen CdSe-Nanokristallen in die Steinsalz-Phase gewinnen [1,2] oder auch die Grçßenabhän-gigkeit des Schmelzpunktes von Nanopartikeln aufzeigen. [3,4] Ein aktuelles Gebiet der Nanochemie befasst sich heute mit Ionenaustauschreaktionen in Nanokristallen. Basierend auf den bahnbrechenden Arbeiten zur Erzeugung zwiebelschalenfçrmig aufgebauter CdS-HgS-CdS-Kern-SchaleSchale-Partikel [5][6][7][8] mittels Ionenaustausch, wurde über eine Reihe von Reaktionen berichtet, bei denen ein teilweiser oder kompletter Austausch der Kationen unter Grçßen-und Formerhaltung zu Nanokristallen führt, die auf direktem Wege manchmal schwierig herzustellen sind. Dabei wird immer wieder die Frage kontrovers diskutiert, ob der Ionentransport und der eigentliche Austausch über Zwischengitterplätze oder über Va kanzen erfolgt und welche Parameter dies gegebenenfalls bestimmen. Zur Klärung dieser Fragen haben wir drei Modellsysteme betrachtet, die in unseren Augen eine besonders interessante Situation darstellen [Reaktion (1)-(3)].Der Austausch nach Reaktion (1) wurde an zwei verschieden großen sphärischen Partikelproben (5 nm und 10 nm Durchmesser) und elongierten Partikeln (Stäbe mit einem Durchmesser-zu-Längen-Verhältnis von 4.5) durchgeführt. Für den Austausch nach Reaktion (2) und (3) wurden etwa 5nmg roße ZnSe-Nanopartikel verwendet. In Abbildung 1 sind die 5nms phärischen Nanopartikel der Reaktionen (1), (2) und (3) vor und nach dem Austausch gezeigt.Abbildung 1. TEM-und HRTEM-Aufnahmen (Einschub) der Nanoteilchen vor ("Start") und nach ("Ende") dem Kationenaustausch.

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Section: Angewandte Chemieunclassified

Festkörperchemie auf der Nanoskala: Ionentransport über Zwischengitterplätze oder Leerstellen?

et al. 2015

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“…[25,26] Zinc ions,n ow occupying interstitials,w ill then leave the crystal by diffusion through interstitials.The formation of the homogeneous alloy requires an equal distribution of cadmium ions in the ZnSe lattice before the real exchange occurs.T hus,t he rate determining step is not diffusion, but the ion exchange.T he estimated activation energy is the one of the cation exchange.T he fact that this value is rather small can only be explained with akick-out mechanism without vacancy creation. [23,25,26] In this process,the developing vacancy is filled by the exchanging ion in ac ooperative process,w hich lowers the activation energy of this exergonic process significantly compared to typical vacancy creation.…”

mentioning

confidence: 99%

Solid‐State Chemistry on the Nanoscale: Ion Transport through Interstitial Sites or Vacancies?

et al. 2015

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How can ion-exchange process occur in nanocrystals without the size and shape changing and why is the ion transport much faster than in classical interdiffusion processes in macrocrystalline solids? We have investigated these processes at the molecular level by means of high-resolution and analytical electron microscopy in temperature-dependent kinetic experiments for several model reactions. The results clearly show a diffusion process that proceeds exclusively through the interstitial lattice positions with a subsequent "kick out" to remove individual ions from lattice sites without the formation of vacancies. This mechanism has not been observed in nanocrystalline systems before.

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“…The diffusion of Zn in III-V compound semiconductors takes place by both substitutionalinterstitial [15][16][17] and kick-out mechanisms. [ 18,19 ] The diffusion coeffi cient of Zn is related to the formation energy of group III vacancies in case of the kick-out mechanism and to wider band gap materials with higher bond gap energy, [ 20 ] which show low diffusion coeffi cients of Zn, in case of the substitutional mechanism. Therefore, the diffusion coeffi cient of Zn in GaInP is lower than that in GaAs, [ 19 ] suggesting that the GaInP window layer might prevent the diffusion of Zn from a highly Zn doped p-type contact layer.…”

Section: Doi: 101002/aenm201400589mentioning

confidence: 99%

A Repeatable Epitaxial Lift‐Off Process from a Single GaAs Substrate for Low‐Cost and High‐Efficiency III‐V Solar Cells

Choi

Kim

Heo

et al. 2014

Advanced Energy Materials

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The effects of epitaxial materials and solar cell design on the performance of solar cells grown by the multilayer approach are investigated. The novel solar cell structure with a p‐on‐n type configuration suggested exhibits improved uniformity in the photovoltaic performance because of the suppression of Zn diffusion. This approach provides routes to achieve further improvements and acts as a guideline for the commercialization of the multilayer technique.

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Diffusion of zinc in gallium arsenide: A new model

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Festkörperchemie auf der Nanoskala: Ionentransport über Zwischengitterplätze oder Leerstellen?

Festkörperchemie auf der Nanoskala: Ionentransport über Zwischengitterplätze oder Leerstellen?

Solid‐State Chemistry on the Nanoscale: Ion Transport through Interstitial Sites or Vacancies?

A Repeatable Epitaxial Lift‐Off Process from a Single GaAs Substrate for Low‐Cost and High‐Efficiency III‐V Solar Cells

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