InSb nanowires (NWs) show an important application in topological quantum computing owing to their high electron mobility, strong spin–orbit interaction, and large g factor. Particularly, ultra-thin InSb NWs are expected to be used to solve the problem of multiple sub-band occupation for the detection of Majorana fermions. However, it is still difficult to epitaxially grow ultra-thin InSb NWs due to the surfactant effect of Sb. Here, we develop an in-plane self-assembled technique to grow catalyst-free ultra-thin InSb NWs on Ge(001) substrates by molecular-beam epitaxy. It is found that ultra-thin InSb NWs with a diameter as small as 17 nm can be obtained by this growth manner. More importantly, these NWs have aspect ratios of 40–100. We also find that the in-plane InSb NWs always grow along the [110] and [11¯0] directions, and they have the same {111} facets, which are caused by the lowest-surface energy of {111} crystal planes for NWs grown with a high Sb/In ratio. Detailed structural studies confirm that InSb NWs are high-quality zinc blende crystals, and there is a strict epitaxial relationship between the InSb NW and the Ge substrate. The in-plane InSb NWs have a similar Raman spectral linewidth compared with that of the single-crystal InSb substrate, further confirming their high crystal quality. Our work provides useful insights into the controlled growth of in-plane catalyst-free III–V NWs.

1.
Z. I.
Alferov
,
Semiconductors
32
(
1
),
1
14
(
1998
).
2.
R. M.
Lutchyn
,
J. D.
Sau
, and
S.
Das Sarma
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
077001
(
2010
).
3.
Y.
Oreg
,
G.
Refael
, and
F.
von Oppen
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
177002
(
2010
).
4.
X.
Yuan
,
D.
Pan
,
Y.
Zhou
,
X.
Zhang
,
K.
Peng
,
B.
Zhao
,
M.
Deng
,
J.
He
,
H. H.
Tan
, and
C.
Jagadish
,
Appl. Phys. Rev.
8
,
021302
(
2021
).
5.
M. T.
Deng
,
C. L.
Yu
,
G. Y.
Huang
,
M.
Larsson
,
P.
Caroff
, and
H. Q.
Xu
,
Nano Lett.
12
,
6414
(
2012
).
6.
V.
Mourik
,
K.
Zuo
,
S. M.
Frolov
,
S. R.
Plissard
,
E. P. A. M.
Bakkers
, and
L. P.
Kouwenhoven
,
Science
336
,
1003
(
2012
).
7.
C.
Moore
,
T. D.
Stanescu
, and
S.
Tewari
,
Phys. Rev. B
97
,
165302
(
2018
).
8.
A.
Vuik
,
B.
Nijholt
,
A. R.
Akhmerov
, and
M.
Wimmer
,
Scipost Phys.
7
,
61
(
2019
).
9.
D.
Pan
,
H.
Song
,
S.
Zhang
,
L.
Liu
,
L.
Wen
,
D.
Liao
,
R.
Zhuo
,
Z.
Wang
,
Z.
Zhang
,
S.
Yang
,
J.
Ying
,
W.
Miao
,
R.
Shang
,
H.
Zhang
, and
J.
Zhao
,
Chin. Phys. Lett.
39
,
058101
(
2022
).
10.
P.
Caroff
,
J. B.
Wagner
,
K. A.
Dick
,
H. A.
Nilsson
,
M.
Jeppsson
,
K.
Deppert
,
L.
Samuelson
,
L. R.
Wallenberg
, and
L.-E.
Wernersson
,
Small
4
,
878
(
2008
).
11.
P.
Caroff
,
M. E.
Messing
,
B. M.
Borg
,
K. A.
Dick
,
K.
Deppert
, and
L.-E.
Wernersson
,
Nanotechnology
20
,
495606
(
2009
).
12.
D.
Ercolani
,
F.
Rossi
,
A.
Li
,
S.
Roddaro
,
V.
Grillo
,
G.
Salviati
,
F.
Beltram
, and
L.
Sorba
,
Nanotechnology
20
,
505605
(
2009
).
13.
L.
Lugani
,
D.
Ercolani
,
F.
Rossi
,
G.
Salviati
,
F.
Beltram
, and
L.
Sorba
,
Cryst. Growth Des.
10
,
4038
(
2010
).
14.
L.
Lugani
,
D.
Ercolani
,
F.
Beltram
, and
L.
Sorba
,
J. Cryst. Growth
323
,
304
(
2011
).
15.
A. T.
Vogel
,
J.
de Boor
,
M.
Becker
,
J. V.
Wittemann
,
S. L.
Mensah
,
P.
Werner
, and
V.
Schmidt
,
Nanotechnology
22
,
015605
(
2011
).
16.
S. R.
Plissard
,
D. R.
Slapak
,
M. A.
Verheijen
,
M.
Hocevar
,
G. W. G.
Immink
,
I.
van Weperen
,
S.
Nadj-Perge
,
S. M.
Frolov
,
L. P.
Kouwenhoven
, and
E. P. A. M.
Bakkers
,
Nano Lett.
12
,
1794
(
2012
).
17.
C.
Thelander
,
P.
Caroff
,
S.
Plissard
, and
K. A.
Dick
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
232105
(
2012
).
18.
B. M.
Borg
and
L.-E.
Wernersson
,
Nanotechnology
24
,
202001
(
2013
).
19.
A.
Li
,
N. V.
Sibirev
,
D.
Ercolani
,
V. G.
Dubrovskii
, and
L.
Sorba
,
Cryst. Growth Des.
13
,
878
(
2013
).
20.
S. R.
Plissard
,
I.
van Weperen
,
D.
Car
,
M. A.
Verheijen
,
G. W. G.
Immink
,
J.
Kammhuber
,
L. J.
Cornelissen
,
D. B.
Szombati
,
A.
Geresdi
,
S. M.
Frolov
,
L. P.
Kouwenhoven
, and
E. P. A. M.
Bakkers
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
859
(
2013
).
21.
D.
Pan
,
D. X.
Fan
,
N.
Kang
,
J. H.
Zhi
,
X. Z.
Yu
,
H. Q.
Xu
, and
J. H.
Zhao
,
Nano Lett.
16
,
834
(
2016
).
22.
H.
So
,
D.
Pan
,
L.
Li
, and
J.
Zhao
,
Nanotechnology
28
,
135704
(
2017
).
23.
M.
Xue
,
D.
Pan
,
J.
Zhao
, and
J.
Chen
,
Adv. Mater.
35
,
2208952
(
2023
).
24.
G.
Badawy
,
S.
Gazibegovic
,
F.
Borsoi
,
S.
Heedt
,
C.-A.
Wang
,
S.
Koelling
,
M. A.
Verheijen
,
L. P.
Kouwenhoven
, and
E. P. A. M.
Bakkers
,
Nano Lett.
19
,
3575
(
2019
).
25.
H. D.
Park
,
S. M.
Prokes
,
M. E.
Twigg
,
Y.
Ding
, and
Z. L.
Wang
,
J. Cryst. Growth
304
,
399
(
2007
).
26.
A. T.
Vogel
,
J.
de Boor
,
J. V.
Wittemann
,
S. L.
Mensah
,
P.
Werner
, and
V.
Schmidt
,
Cryst. Growth Des.
11
,
1896
(
2011
).
27.
P.
Aseev
,
G.
Wang
,
L.
Binci
,
A.
Singh
,
S.
Marti-Sanchez
,
M.
Botifoll
,
L. J.
Stek
,
A.
Bordin
,
J. D.
Watson
,
F.
Boekhout
,
D.
Abel
,
J.
Gamble
,
K.
Van Hoogdalem
,
J.
Arbiol
,
L. P.
Kouwenhoven
,
G.
de Lange
, and
P.
Caroff
,
Nano Lett.
19
,
9102
(
2019
).
28.
L.
Desplanque
,
A.
Bucamp
,
D.
Troadec
,
G.
Patriarche
, and
X.
Wallart
,
J. Cryst. Growth
512
,
6
(
2019
).
29.
E. A.
Anyebe
,
M. K.
Rajpalke
,
T. D.
Veal
,
C. J.
Jin
,
Z. M.
Wang
, and
Q. D.
Zhuang
,
Nano Res.
8
,
1309
(
2015
).
30.
F.
Krizek
,
J. E.
Sestoft
,
P.
Aseev
,
S. M.-S.
Anchez
,
S.
Vaitiekenas
,
L.
Casparis
,
S. A.
Khan
,
Y.
Liu
,
T.
Stankevic
,
A. M.
Whiticar
,
A.
Fursina
,
F.
Boekhout
,
R.
Koops
,
E.
Uccelli
,
L. P.
Kouwenhoven
,
C. M.
Marcus
,
J.
Arbiol
, and
P.
Krogstrup
,
Phys. Rev. Mater.
2
,
093401
(
2018
).
31.
P.
Aseev
,
A.
Fursina
,
F.
Boekhout
,
F.
Krizek
,
J. E.
Sestoft
,
F.
Borsoi
,
S.
Heedt
,
G.
Wang
,
L.
Binci
,
S.
Marti-Sanchez
,
T.
Swoboda
,
R.
Koops
,
E.
Uccelli
,
J.
Arbiol
,
P.
Krogstrup
,
L. P.
Kouwenhoven
, and
P.
Caroff
,
Nano Lett.
19
,
218
(
2019
).
32.
J. S.
Lee
,
S.
Choi
,
M.
Pendharkar
,
D. J.
Pennachio
,
B.
Markman
,
M.
Seas
,
S.
Koelling
,
M. A.
Verheijen
,
L.
Casparis
,
K. D.
Petersson
,
I.
Petkovic
,
V.
Schaller
,
M. J. W.
Rodwell
,
C. M.
Marcus
,
P.
Krogstrup
,
L. P.
Kouwenhoven
,
E. P. A. M.
Bakkers
, and
C. J.
Palmstrom
,
Phys. Rev. Mater.
3
,
084606
(
2019
).
33.
Y.
Jiang
,
S.
Yang
,
L.
Li
,
W.
Song
,
W.
Miao
,
B.
Tong
,
Z.
Geng
,
Y.
Gao
,
R.
Li
,
F.
Chen
,
Q.
Zhang
,
F.
Meng
,
L.
Gu
,
K.
Zhu
,
Y.
Zang
,
R.
Shang
,
Z.
Cao
,
X.
Feng
,
Q.-K.
Xue
,
D. E.
Liu
,
H.
Zhang
, and
K.
He
,
Phys. Rev. Mater.
6
,
034205
(
2022
).
34.
J.
Jung
,
S. G.
Schellingerhout
,
M. F.
Ritter
,
S. C.
ten Kate
,
O. A. H.
van der Molen
,
S.
de Loijer
,
M. A.
Verheijen
,
H.
Riel
,
F.
Nichele
, and
E. P. A. M.
Bakkers
,
Adv. Funct. Mater.
32
,
2208974
(
2022
).
35.
L.
Wen
,
D.
Pan
,
L.
Liu
,
S.
Tong
,
R.
Zhuo
, and
J.
Zhao
,
J. Phys. Chem. Lett.
13
,
598
(
2022
).
36.
L.
Liu
,
L. J.
Wen
,
F. Y.
He
,
R.
Zhuo
,
D.
Pan
, and
J. H.
Zhao
,
Nanotechnology
35
,
065705
(
2024
).
37.
L.
Persichetti
,
M.
Fanfoni
,
M.
De Seta
,
L.
Di Gaspare
,
L.
Ottaviano
,
C.
Goletti
, and
A.
Sgarlata
,
Appl. Surf. Sci.
462
,
86
(
2018
).
38.
L.
Persichetti
,
A.
Sgarlata
,
S.
Mori
,
M.
Notarianni
,
V.
Cherubini
,
M.
Fanfoni
,
N.
Motta
, and
A.
Balzarotti
,
Nanoscale Res. Lett.
9
,
358
(
2014
).
39.
Y.
Zhang
,
C.
Zhou
,
Y.
Zhu
,
G.
Xia
,
L.
Li
, and
R.-T.
Wen
,
J. Appl. Phys.
133
,
075703
(
2023
).
40.
T. M.
Diallo
,
M. R.
Aziziyan
,
R.
Arvinte
,
R.
Ares
,
S.
Fafard
, and
A.
Boucherif
,
Carbon
174
,
214
(
2021
).
41.
H.
Wang
,
Z.
Zhang
,
L. M.
Wong
,
S.
Wang
,
Z.
Wei
,
G. P.
Li
,
G.
Xing
,
D.
Guo
,
D.
Wang
, and
T.
Wu
,
ACS Nano
4
,
2901
(
2010
).
42.
D.
Rajska
,
A.
Brzozka
,
M.
Marciszko-Wiackowska
,
M. M.
Marzec
,
D.
Chlebda
,
K. E.
Hnida-Gut
, and
G. D.
Sulka
,
Appl. Surf. Sci.
537
,
147715
(
2021
).
43.
R.
Xu
,
K.
Xu
,
Y.
Sun
,
Y.
Wen
,
L.
Cheng
,
F.-C.
Shen
, and
Y.
Qian
,
Nanoscale
15
,
18473
(
2023
).
44.
A.
Patra
,
J. K.
Panda
,
A.
Roy
,
M.
Gemmi
,
J.
David
,
D.
Ercolani
, and
L.
Sorba
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
093103
(
2015
).
45.
G.
Faraci
,
S.
Gibilisco
,
P.
Russo
,
A. R.
Pennisi
, and
S.
La Rosa
,
Phys. Rev. B
73
,
033307
(
2006
).
46.
G.
Gouadec
and
P.
Colomban
,
Prog. Cryst. Growth Charact. Mater.
53
,
1
56
(
2007
).
47.
W.
Shi
,
X.
Zhang
,
X.-L.
Li
,
X.-F.
Qiao
,
J.-B.
Wu
,
J.
Zhang
, and
P.-H.
Tan
,
Chin. Phys. Lett.
33
,
057801
(
2016
).
48.
S.
Rohmfeld
,
M.
Hundhausen
, and
L.
Ley
,
Phys. Rev. B
58
,
9858
(
1998
).
49.
K.
Fujita
,
Y.
Kusumi
, and
M.
Ichikawa
,
Surf. Sci.
380
,
66
(
1997
).
50.
Z.
Xue
,
M.
Sun
,
T.
Dong
,
Z.
Tang
,
Y.
Zhao
,
J.
Wang
,
X.
Wei
,
L.
Yu
,
Q.
Chen
,
J.
Xu
,
Y.
Shi
,
K.
Chen
, and
P.
Roca i Cabarrocas
,
Nano Lett.
17
,
7638
(
2017
).
51.
H.
Kim
,
C.
Mattevi
,
M. R.
Calvo
,
J. C.
Oberg
,
L.
Artiglia
,
S.
Agnoli
,
C. F.
Hirjibehedin
,
M.
Chhowalla
, and
E.
Saiz
,
ACS Nano
6
,
3614
(
2012
).
52.
A.
Lin
,
J. N.
Shapiro
,
H.
Eisele
, and
D. L.
Huffaker
,
Adv. Funct. Mater.
24
,
4311
(
2014
).
You do not currently have access to this content.