32
Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis Sara Yazji 1,2 , Eric A. Hoffman 1,2 , Daniele Ercolani 3 , Francesco Rossella 3 , Alessandro Pitanti 3 , Alessandro Cavalli 1 , Stefano Roddaro 3 , Gerhard Abstreiter 1,2 , Lucia Sorba 3 , and Ilaria Zardo 1,4 ( ) Nano Res., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1007/s12274-015-0906-8 http://www.thenanoresearch.com on Oct. 9, 2015 © Tsinghua University Press 2015 Just Accepted This is a “Just Accepted” manuscript, which has been examined by the peerreview process and has been accepted for publication. A “Just Accepted” manuscript is published online shortly after its acceptance, which is prior to technical editing and formatting and author proofing. Tsinghua University Press (TUP) provides “Just Accepted” as an optional and free service which allows authors to make their results available to the research community as soon as possible after acceptance. After a manuscript has been technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Please note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which may affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain. In no event shall TUP be held responsible for errors or consequences arising from the use of any information contained in these “Just Accepted” manuscripts. To cite this manuscript please use its Digital Object Identifier (DOI®), which is identical for all formats of publication. Nano Research DOI 10.1007/s1227401509068

Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Complete thermoelectric benchmarking of individual

InSb nanowires by combined micro-Raman and electric

transport analysis

Sara Yazji1,2, Eric A. Hoffman1,2, Daniele Ercolani3, Francesco Rossella3, Alessandro Pitanti3, Alessandro

Cavalli1, Stefano Roddaro3, Gerhard Abstreiter1,2, Lucia Sorba3, and Ilaria Zardo1,4 ( )

Nano Res., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1007/s12274-015-0906-8 http://www.thenanoresearch.com on Oct. 9, 2015 © Tsinghua University Press 2015

Just Accepted  This  is a “Just Accepted” manuscript, which has been examined by  the peer‐review process and has been accepted  for  publication. A  “Just Accepted” manuscript  is  published  online  shortly  after  its  acceptance, which  is prior  to  technical  editing  and  formatting  and  author proofing. Tsinghua University Press  (TUP) provides “Just Accepted” as an optional and free service which allows authors to make their results available to  the  research  community  as  soon  as possible  after  acceptance. After  a manuscript has  been  technically edited  and  formatted,  it will  be  removed  from  the  “Just Accepted” Web  site  and published  as  an ASAP article.  Please  note  that  technical  editing  may  introduce  minor  changes  to  the  manuscript  text  and/or graphics which may affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain. In no event shall TUP be held responsible for errors or consequences arising from the use of any information contained in these “Just Accepted” manuscripts. To cite this manuscript please use its Digital Object Identifier (DOI®), which is identical for all formats of publication. 

 

Nano Research  DOI 10.1007/s12274‐015‐0906‐8 

Page 2: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

2Nano Res.         

Complete thermoelectric benchmarking of

individual InSb nanowires by combined

micro-Raman and electric transport analysis

Sara Yazji1,2, Eric A. Hoffman1,2, Daniele Ercolani3,

Francesco Rossella3, Alessandro Pitanti3,

Alessandro Cavalli1, Stefano Roddaro3, Gerhard

Abstreiter1,2, Lucia Sorba3, and Ilaria Zardo1,4,*

1Walter Schottky Institut & Physik Department,

Technische Universität München, D-85748 Garching,

Germany, 2Institute for Advanced Study, Technische

Universität München, D-85748 Garching, Germany, 3NEST, Istituto Nanoscienze-CNR and Scuola Normale

Superiore, I-56127 Pisa, Italy, 4Applied Physics,

Photonics & Semiconductor Nanophysics, Eindhoven

University of Technology, MB 5600 Eindhoven, The

Netherlands

We show a new method for the complete thermoelectric

characterization and figure of merit calculation of single nanowires,

based on combined spatially resolved µ-Raman spectroscopy and

electrical measurements. We apply the new method to Se-doped InSb

nanowires.

Page 3: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

3 Nano Res.         

Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis Sara Yazji1,2, Eric A. Hoffman1,2, Daniele Ercolani3, Francesco Rossella3, Alessandro Pitanti3, Alessandro Cavalli1, Stefano Roddaro3, Gerhard Abstreiter1,2, Lucia Sorba3, and Ilaria Zardo1,4( )

1 Walter Schottky Institut & Physik Department, Technische Universität München, D-85748, Garching, Germany 2 Institute for Advanced Study, Technische Universität München, D-85748 Garching, Germany 3 NEST, Istituto Nanoscienze-CNR and Scuola Normale Superiore, I-56127 Pisa, Italy 4 Applied Physics, Photonics & Semiconductor Nanophysics, Eindhoven University of Technology, MB 5600 Eindhoven, The

Netherlands

 

Received: day month year Revised: day month year Accepted:  day  month  year (automatically  inserted  by the publisher) 

 

© Tsinghua University Press and  Springer‐Verlag  Berlin Heidelberg 2014 

 

KEYWORDS Thermoelectric, thermoelectric  figure  of merit,  Raman spectroscopy,  field‐effect transistor measurements,   nanowire, InSb 

  ABSTRACT Nanowires are  ideal nanostructures for exploring the effects on thermoelectric behavior  of  low‐dimensionality  and  thermal  conductivity  suppression. However,  it  is  challenging  to  accurately measure  temperature  gradients  and heat  flow  in  such  systems.  Here,  using  combined  spatially‐resolved  Raman spectroscopy and transport measurements, we show it is possible to determine all  the  thermoelectric  properties  of  single  Se‐doped  InSb  nanowires  and  to quantify  the  ZT  figure  of merit.  The measured  laser‐induced  heating  in  the nanowires  and  the  associated  electrical  response  are  well‐described  by  a one‐dimensional heat equation model. Our method allows the determination of thermal contact resistances at the source and drain electrodes of the nanowire, which  is  found  to  be  negligible  in  our  system.  The measured  thermoelectric parameters of InSb nanowires are compared with those obtained by field‐effect transistor  Seebeck  measurements,  and  are  found  to  be  in  a  very  good agreement.   

Nano Research   DOI (automatically inserted by the publisher)Research Article     

Page 4: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

4Nano Res.         

Address correspondence to Ilaria Zardo, [email protected]

1 Introduction  High efficiency heat‐electricity conversion can have a major  impact  on  energy  production  and  enable new  self‐powered  device  applications.  The  figure of  merit  ZT=σS2T/κ  (where  σ,  S,  and  κ  are  the electrical conductivity,  the Seebeck coefficient, and the  thermal  conductivity,  respectively)  relates  the physical properties of a material with its efficiency as  a  power  generator  or  heat  pump.  After  the predicted  enhancement  of  the  ZT  value  for materials at  the nanoscale  [1,2], a  large number of materials  with  ZT>1  at  room  temperature  were discovered  [3,4],  even  if  a  competitive  material with  ZT>3  has  not  been  developed  yet.  ZT~3  or higher  is required  to use  thermoelectric devices as an  efficient alternative  to mechanical heat  engines both  for power generation, waste‐heat harvesting, and  refrigeration  [5,6].  To  the  best  of  our knowledge,  the highest  reached ZT value  is 2.6 at 923  K,  realized  in  SnSe  single  crystals measured along  the  b  axis  of  the  room‐temperature orthorhombic  unit  cell  [7].  In  order  to  give  a complete  determination  of  the  thermoelectric properties  of  a  material,  σ,  S  and  κ  need  to  be measured  on  the  same  structure  under  the  same conditions.  For  systems  at  the  nanoscale,  this  is experimentally  very  challenging.  For  nanowires (NWs),  κ  was  often  measured  using  either suspended SiNx membranes [8‐10] or via local laser heating  and  Raman  spectroscopy  [11,12].  The Seebeck  coefficient  or  the  power  factor  σS2  can instead  be measured  using  devices with metallic resistive  thermometers,  designed  in  several geometries  [13‐16].  A  significant  effort  has  been devoted  to  engineering  measurement  platforms that  allow  a  complete  determination  of  the thermoelectric  properties  of  individual  NWs.  At present, many measurements  on NWs  have  been carried out with suspended resistive thermometers similar  to  the  ones  described  in  Reference  [17], which  require  very  complex  nanofabrication processes.  Furthermore,  an  open  issue  is  the determination of  the  thermal contact  resistance RC between the NW and the thermometers [18].   

In this work, we present a new effective method for the determination of  the  thermoelectric properties and  figure  of  merit  of  single  NWs,  based  on combined  spatially‐resolved  Raman  spectroscopy and  transport  measurements.  Our  approach reduces  the  impact of  thermal  contact  resistances, which have proven to be problematic in alternative architectures [19].  In our case,  they can be directly estimated from measurements and are found to be smaller  than  the  NW  thermal  resistance.  In addition,  the  method  is  in  principle  fully compatible  with  the  field‐effect  control  of  the carrier  density  in  the  nanostructure,  which  has been  recently  recognized  to  be  very  important  in the  investigation  of  fundamental  properties  of nanostructured  thermoelectric materials  [15].  The temperature  gradient  ∆T  necessary  for thermoelectric  measurements  is  provided  by  the excitation  laser,  which  acts  also  as  thermometer. Raman spectroscopy is used to determine the local temperature  rise  along  the  NW.  Transport  and Raman measurements,  together with  a  simple  1D heating  model,  allow  the  determination  of  the parameters  needed  for  the  calculation  of  the  ZT together with  the  estimate  of  the  thermal  contact resistance RC. We  apply  this  novel  method  to  individual Se‐doped  InSb NWs, which are expected  to be  the most  promising  candidates  for  thermoelectric application among III‐V semiconductors: InSb NWs with diameter of ~10 nm are for  instance expected to have ZT ~ 6 at 300 K  [20].  In general,  InSb  is a narrow  band  gap  semiconductor  (0.18  eV)  with small effective mass at room temperature and high carrier  mobility.  In  the  past,  thermoelectric properties  of  bulk  InSb  have  been  widely investigated. The thermal conductivity of bulk InSb has been measured in the broad temperature range from  2  K  to  773  K  [21‐27]  and  the  room temperature thermal conductivity was found to be ~17 W/mK  [24,25,28]. The complete  thermoelectric properties  investigation  of  intrinsic  bulk  InSb  has been  done  between  100  °C  and  500  °C,  and  the average value of the ZT parameter was found to be 0.42  (10‐3)  K‐1  [22]. More  recently  for  a  Te‐doped 

Page 5: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

5 Nano Res.         

InSb  single crystal a ZT value of 0.6 at 637 K was measured [29].     InSb  NWs  with  small  diameters  (~5  nm)  have shown properties of the Luttinger liquid both from thermopower  [30]  and  thermal  conductivity  [31] studies. Thermopower and electrical measurements on  unintentionally  n‐doped  NWs  with  larger diameters  (~43  nm)  showed  lower  Seebeck coefficient  but  larger  electrical  conductivity  than pure bulk InSb crystals [32]. A recent study on the phonon  dispersion  of  54  nm  diameter  InSb(111) NWs showed a reduced sound speed compared to the bulk, that was attributed to a 35% reduction of the C44 elastic constant, opening new scenarios  for the  determination  of  possible  causes  for  the thermal  conductivity  reduction  in NWs  [33].  The complete  thermoelectric  figure  of merit  of  single Sb‐enriched  n‐type  InSb  NWs  has  been  recently measured as a function of growth parameters, with a suspended microdevice [34]. A large suppression of  the  thermal  conductivity  with  respect  to  bulk InSb  was  found  (~3  times  smaller),  but  the measured  Seebeck  coefficient  was  smaller  with respect  to  the  value  measured  for  single  crystal InSb  [29],  resulting  in  a  lower ZT  (between  0.002 and 0.006 at room temperature). Here, we obtained values of ZT for Se‐doped InSb NWs ranging from 0.014  to  0.025  at  room  temperature,  which  is slightly  larger  than  previous  findings  in Sb‐enriched  InSb NWs,  though still  lower  that  the ZT of Te‐doped bulk single crystals.  2 Results and discussion  We developed a new method  for  the  investigation the thermoelectric figure of merit of nanostructured materials,  consisting  in  combined spatially‐resolved  Raman  spectroscopy  and transport measurements. In the frame of this work we determine  the  figure of merit of  several  single Se‐doped  InSb  NWs  (ESM1  in  the  Electronic Supplementary  Material  (ESM)).  The  measured electron  density  by  field‐effect  is  5x1017 electrons/cm3. In  order  to  estimate  the  thermoelectric  figure  of merit ZT=σS2T/κ of a system, we need to determine its  thermal  conductivity  κ,  Seebeck  coefficient  S, and  electrical  conductivity  σ.  In  the  past,  the thermal  conductivity  of  semiconductor NWs was already  estimated using  laser  heating  and Raman spectroscopy  [11,12].  By  employing  combined 

spatially  resolved  Raman  spectroscopy  and transport measurements we are able  to measure S and σ with a simple method, as it will be discussed in the following. The  excitation  laser  employed  for  Raman spectroscopy  is  moved  along  the  NW  heating  it locally,  and  thus  generating  the  necessary temperature gradient ΔT between  the  ends of  the NW,  which  is  suspended  between  two  metallic stripes  that act as heat  sinks.  In addition,  two  top contacts  are  deposited  at  the NW  ends,  allowing electrical  measurements.  At  each  position  of  the laser, the Raman spectrum and the current‐voltage (I‐V)  characteristic  are  recorded  simultaneously. Through  the  I‐V  curves,  σ  as  well  as  the thermovoltage  (i.e.  the  open‐circuit  voltage VOC)  ‐ and  therefore  the  Seebeck  coefficient  ‐  can  be evaluated. The temperature profile along the NW is determined  by  Raman  spectroscopy  using  the linear  relation  between  the  shift  Δν  of  the  TO phonon frequency and the increase in temperature caused by the laser heating [35‐36]. Scans along the NWs  are  performed  for  several  laser  powers,  i.e. several temperature profiles are measured.   A  sketch  of  the  device  employed  for  our measurements is shown in Figure 1.    

 Figure 1  Schematic of the device and of the scattering geometry used for Raman spectroscopy. The InSb nanowire is suspended between two gold stripes evaporated on a SiO2/Si substrate, and clamped with two top contacts. A voltage is applied at one end of the nanowire, and the current is measured through a low-noise current amplifier. The Raman scattering configuration is also shown, together with the nanowire geometry. The entire device is located on a xy piezo stage.  In Table 1 we report the geometrical characteristics of the NWs investigated with the combined Raman spectroscopy  and  electrical measurement method. LS,D  indicated  the  part  of  the  InSb  NW  between source  and  drain  contact,  while  Lthermal  is  the suspended  part  of  the  NW  over  the  separation 

Page 6: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

6Nano Res.         

between  the  lower  gold  stripes.  Both  lengths  are shown  in Figure  2  (a). We want  to point out here that  the  investigated  nanowire  diameter  range  is far above the theoretical one for which a significant improvement of the ZT  is expected [20]. However, Table 1 Geometrical parameters of the investigated Se-doped InSb NWs as estimated from SEM images

Nanowire Diameter (nm) LS,D (µm)1 Lthermal (µm)2

A 145 2.200 1.560

B 150 2.240 1.880

C 150 2.340 1.870

D 195 2.410 1.940 the  method  described  in  the  present  manuscript can be easily applicable to thinner nanowires, since it  involves  standard  nanowire‐based  devices fabrication processes. Results  obtained  by  the  combined  Raman  and open‐circuit  Seebeck  measurements,  were  also compared  with  measurements  based  on  NW field‐effect transistors [15]. As discussed further  in the following, these results were found particularly useful to assess the impact of the laser excitation on the thermoelectric response of the NWs. To this aim, we have fabricated devices  implementing a buried heating  scheme  that  allows  driving  both  a  large thermal  bias  (up  to  temperature  gradients  of  ~8 K/μm  along  the  NW)  and  a  strong  field‐effect modulation  of  electrical  conductance  on  the nanostructure. With respect to the previous method, this approach suffers  from  the  fact  that  it  does  not  allow  the estimation  of  the  thermal  conductance. However, on the other hand, it allows the precise mapping of the  evolution  of  the  Seebeck  coefficient  S  as  a function  of  the  gate‐controlled  electrical conductivity σ in the desired temperature range.  2.1 Laser heating and Raman spectroscopy  The  combination  of  laser  heating  and  Raman spectroscopy has already proven to be effective for the  determination  of  the  thermal  conductivity  of  1 LS,D indicated the part of the InSb NW between source and drain contact. 2 L thermal is the suspended part of the NW over the separation between the lower gold stripes. Both lengths are shown in Figure 2 (a).

NWs  [11,12]. The measurement principle  is based on the determination of the local temperature from the  shift  of  the phonon  frequencies  registered  via Raman  spectroscopy.  The  excitation  laser  itself produces a local rise in temperature, which reflects on  the  creation  of  a  temperature  gradient  ∆T between  the  ends  of  the NW. ∆T  is  evaluated  by fitting  the  temperature  profile  with  a  1D  heat equation, which includes laser heating. We observe a  difference  in  the magnitude  of  the  temperature gradient at  the NW  ends, which we attribute  to a difference in the thermal contact resistances. We measured the Raman spectra of Se‐doped InSb NWs  in  backscattering  configuration,  and  in  the geometry  illustrated  in  Figure  1.  The  excitation polarization  εi  and  detection  polarization  εs  are selected parallel to the NW axis z, corresponding to the  [‐111]  direction.  In  this  geometry,  the  Raman spectra present the transversal optical mode (TO) at ~179  cm‐1,  which  is  the  allowed  mode  from  the selection  rules, and  the  forbidden  longitudinal LO mode  at  210  cm‐1  with  lower  intensity  [37].  The shift Δν  of  the  TO mode  caused  by  laser  heating was used to determine the local temperature rise as a function of the laser position xL. We assumed the same  linear  coefficient  between  Δν  and  local temperature  rise  (with  respect  to  ambient temperature)  Trise  measured  for  bulk  InSb,  i.e. Δν/Trise=‐0.016  cm‐1/K  [35]  in  analogy  to  the experimental  observation  on  Si  NWs  [38]. Furthermore,  for  the  nanowire  diameters investigated  here, we  can  reasonably  assume  the bulk relation. However, when using the shift of the optical phonons  for  the determination of  the  local temperature rise, particular care has to be taken in excluding possible additional  shifts not  caused by laser  heating.  For  example,  depending  on  the doping  level,  optical  phonon  modes  could  be superimposed  to  phonon‐plasmon modes.  In  our experiments, this can be excluded since the doping level we  adopted  is  low  [39].  Alternatively,  laser irradiation causes the local lattice expansion, with a possible  consequent  strain  distribution  in  the surroundings  [40,41],  which  appears  as  an additional shift of the phonon mode. In this respect, we  believe  that  the  strain  can  be neglected under the experimental  conditions we used,  i.e.  cw  laser with  relatively  low  laser  power.  Indeed,  shorter pulsed  laser  typically  induces  a  much  stronger stress wave [40]. Furthermore, a strain distribution broadens the FWHM of the phonon lines, while we 

Page 7: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

7 Nano Res.         

measured  FWHM  comparable  with  those temperature dependent reported for bulk InSb [36]. Nevertheless, we cannot exclude  the presence of a homogenous strain at the point of excitation source. A typical temperature profile obtained is shown in Figure  2(b)  (open  black  diamonds)  for  the  NW shown  in  the SEM  image  in Figure 2(a) at a  fixed laser  power  (135  μW,  corresponding  to  a  power density  of  24  kW/cm2)  together with  the  spatially resolved Raman shifts (filled blue diamonds).    

 Figure 2 (a) Scanning electron micrograph of one of the investigated Se-doped NW, with 150 nm diameter (device C). The NW is suspended between two gold contacts; the two top contacts are visible. LS,D and the thermal length (L thermal) are indicated with arrows. The scale bar is 1 µm. (b) Shift of the TO frequency (filled blue diamonds) and local temperature rise (open black diamonds) as a function of the laser position along the NW, for 135 µW laser power. (c) Values of the open circuit voltage VOC (open black squares), short circuit current ISC (open red circles), and conductance G (open green diamonds) extracted from the I-V characteristic curves measured as a function of the laser position. The I-V measurements were collected simultaneously with the Raman spectra relative to (b). Solid lines are fit of the 1D heating model to the experimental data. Dashed lines are guides to the eyes. The spectra were collected every 250 nm along the NW.  We  collected  two  spectra  (180  seconds  of integration  per  spectrum)  for  each  laser  position, which were then averaged. Errors on temperatures are  calculated  propagating  the  error  on  Raman 

shifts, which were estimated as the maximum error on  Lorentzian  fit  to  the  Raman  spectra,  and  we considered 0.05 cm‐1. It has to be noted that the temperature deduced by Raman spectroscopy is associated with the thermal vibrations of the crystal lattice (lattice temperature). At  room  temperature,  phonons  and  electrons  are well  coupled.  On  the  time  scale  of  our measurements,  the two  systems  are  in  thermal equilibrium and Raman spectroscopy is also a valid electron thermometer.     2.2  Measurements,  1D  heating  model  and  data analysis  The  novelty  of  the  measurement  technique developed  in  this work with  respect  to Reference [12]  is  that  it  allows  the  determination  of  all  the thermoelectric  parameters  necessary  to  quantify the figure of merit of an individual NW. So far this could  only  be  demonstrated  using  architectures based on suspended micro‐heater membranes [17], which  are  technically  more  challenging  and  are affected  by  critical  issues  in  terms  of  thermal contact resistances [42]. To  access  the  Seebeck  coefficient  S  =  Vth/ΔT,  we need  to  measure  the  thermovoltage  Vth  of  our system. One possible way is to measure directly the open‐circuit voltage VOC at the NW ends via a high impedance  voltage  amplifier,  while  heating  the NW with the laser. However, in this way we do not have  simultaneous  information  on  the  changes  of the electrical conductivity. We therefore decided to extract  VOC  from  I‐V  characteristics  recorded varying  the  position  of  the  laser  on  the  NW. Therefore  we  applied  an  external  bias  V  and recorded  the  current  I  with  a  low  noise  current amplifier. The applied bias was kept always below 10 mV to avoid additional Joule heating (see ESM2 for  details). Without  applying  a  thermal  gradient (laser off), for good ohmic contacts we expect V (I = 0) = 0. When the laser is on, ΔT ≠  0 and the open circuit  thermovoltage appears, as well as  the short circuit  thermocurrent ISC. From  the  linear fit  to  the I‐V  curves,  we  can  extract  VOC,  ISC,  and  the conductance G  as  a  function  of  the  laser  position along the NW. At every laser position, we averaged six  I‐V  curves.  As  an  example,  the  position dependent  I‐V  curves  and Raman  spectra  relative to Figure 2 are shown in Figure S2 of the ESM. For comparison,  we  show  the  spatially  resolved 

Page 8: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

8Nano Res.         

thermovoltages measured both from the I‐V curves and with open circuit conditions in Figure S3 of the ESM. In Figure 2(c) a typical trend of VOC, ISC, and G is shown for one of the Se‐doped InSb NW (C) at a fixed  laser  power.  The  laser  position  was  varied moving from the source to the drain contact along the  same  NW  shown  in  Figure  2(a),  collecting simultaneously  the Raman spectra from which  the temperature  profile  in  Figure  2(b) was  extracted. VOC  (ISC)  first  shows  an  increase  (decrease)  then  a decrease  (increase)  as  a  function of  laser position, approaching  zero  approximately  when  the  local temperature  rise  reaches  the  maximum,  and changing  sign going  ahead  along  the NW. This  is exactly  in  agreement  with  our  expectations:  the temperature difference at the contacts ΔT is higher when  the  laser  is  close  to one of  the  contacts and goes  to zero  in  the middle of  the NW  ‐ where  the local  temperature  rise  is maximum  ‐  reversing  its sign  throughout  the  other  contact.  The  local temperature  profile  generated  from  the  laser heating  is  also  reflected  in  the  behavior  of  the conductance  G.  It  has  minima  at  the  NW  ends (lowest  temperature)  and  a  maximum approximately  at  the  NW  center  (highest temperature).  Similar  behavior  of  the  electrical conductivity σ with  temperature was obtained  by independent  electrical  measurements  (see  Figure S4 of ESM). Temperature data obtained by Raman spectroscopy together with VOC and ISC data were analyzed using a  1D  heating  model  including  Gaussian  heating source, as described in the following. Due  to  the  fact  that  the  electrical  contacts  have  a much  larger  mass  and  much  higher  thermal conductivity than the NW, we treat the contacts as ideal  heat  sinks  that  remain  at  room  temperature TRT.  The  NW  temperature,  TNW,  increases  under illumination  by  the  Raman  excitation  laser positioned  at  xL.  The  laser Gaussian  beam  profile dissipates  its power non‐uniformly  along  the NW generating  a  local  temperature  rise  T(x)  =  TNW(x)‐ TRT.  At  the  same  time,  heat  is  dissipated  by convection  from  the  NW  into  the  surrounding atmosphere  at  a  rate  κairT(x),  where  κair  is  the thermal  conductance  to  air  per  unit  length. Altogether,  the  1D  heat  equation  including  laser heating and convective cooling is 

,2w

2)Lx2(xexp

π

2

wabsP

-T(x)airκ=2dx

T(x)2d κA ⎥

⎤⎢⎣

⎡ −− (1) 

where  the  rightmost  term  describes  the Gaussian laser beam profile centered at xL and having a beam waist  w.  The  Gaussian  is  normalized  so  that  the total integrated power is Pabs=aP, where a is the NW absorption coefficient and P is the laser power. A is the cross sectional area of the NW.   This  second‐order  differential  equation  requires two  boundary  conditions.  These  boundary conditions are  related  to  the  contact  resistances at the source/drain as discussed in the ESM5. The NW cross  sectional area A and  the  laser beam waist  is calculated  from  the measured  FWHM,  while  the absorbed  power  Pabs  was  estimated  via  ab  initio finite difference simulations performed with MEEP software [12,43]. In Figure 2(b) and 2(c) we show as solid lines an example of the fit to the experimental data  obtained  for  one  NW  using  a  global  fit procedure, namely using  the  same parameters  for all the data set and changing only the laser power. The agreement between data point and  the model is quite good.   From  the  fitting  of  the  Raman  temperature  rise with  the  1D  heat  equation,  the  values  of  the temperature  difference  between  the  contacts  ΔT has been  calculated  (see ESM5),  and  therefore we could  estimate  the  Seebeck  coefficient.  The experimental  data  were  also  analyzed  via individual  fitting  procedure,  which  showed consistent results (see Figure S6 in the ESM5). More details about the fitting procedures are reported in the ESM5. In  Figure  3  we  show  the  obtained  electrical conductivities  σ  (panel  (a)),  Seebeck  coefficients  S (panel (b)), thermal conductivities κ (panel (c)), and the thermal contact resistances RCS,D (panel (d)) for the  investigated Se‐doped  InSb NWs. Each NW  is indicated with a different symbol.  In panel  (a) we show  with  the  filled  symbols  the  maximum electrical  conductivities  extrapolated  from  the power  dependence  of  the  σ  (σmax),  that  were calculated  from  the  position  dependent measurements  (see  Figure  S7  in  ESM5  for  the details). With  the  half‐filled  symbols we  indicate the  dark  electrical  conductivities  as measured  in absence  of  laser  excitation.  The  dashed  line indicates  the σ value measured  for Te‐doped  InSb bulk  single  crystal  [29].  The  shaded  grey  area indicates  the  range  of  electrical  conductivities measured  for Sb‐doped  InSb NWs  from Reference [34]. The values of σmax are very  similar  compared 

Page 9: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

9 Nano Res.         

with previous measurements on Sb‐enriched NWs [34]. We want  to point out here  that  the difference between σmax and  the dark electrical conductivities can possibly be explained by an effective annealing provided  by  the  laser,  which  increases  the conductivity.  Indeed,  measurements  performed after  laser  illumination  with  laser  off  (data  not shown) exhibit a persistent increased σ with respect to  the  one  obtained  before  laser  exposure.  We observe negative  Seebeck  coefficients,  as  expected for n‐type semiconductors. The S absolute value of Se‐doped  InSb NWs  is generally  larger  than what reported so far for Sb‐enriched InSb NWs [34], but in  average  lower  than  the  Seebeck  coefficient measured for Te‐doped InSb bulk [29].   The  thermal  conductivities  (Figure  3(c))  are comparable with  the  intrinsic  InSb bulk value  [22] therefore  larger  than  the  thermal  conductivity measured  for  InSb  NWs  in  Reference  [34].  This 

could  be  due  to  the  clean  crystalline  structure  of the investigated NWs, together with the fact that in the investigated NW diameter range a strong effect of  boundary  scattering  is  not  expected  since  the phonon mean free path at 300 K is ~84 nm [40]. An evaluation of  the diameter dependence of  thermal conductivity  is  presented  in  the  ESM6.  The  fitted value  for κair ranges  from 0.09  to 0.18 W/mK  (data not shown) and  it  is,  therefore, much smaller  than the NW thermal conductivities. In  Figure  3(d)  we  show  the  parameter  values calculated  from  the  fitting  for  the  thermal  contact resistances at source and drain, RCS,D. For each NW we  obtain  RCS≠RCD,  that  explains  the  asymmetric shape of the Raman temperature profile (see Figure 2(b)).  It  is  important  to note  that  the NW  thermal resistances are ~3 to 40 times larger than the contact thermal resistances, which thus have a minor effect.   

 Figure 3 (a) The electrical conductivity σ of different investigated single Se-doped InSb NWs plotted as a function of their diameter. Filled symbols indicate the maximum σ extrapolated from the power dependence of σ (σmax), that were calculated from the position dependent measurements. The half-filled symbols indicate the dark electrical conductivities derived by transport measurements. (b) The Seebeck coefficient S of the different investigated Se-doped InSb NWs plotted as a function of their diameter. Patterned grey area indicates the results obtained with field-effect transistor measurements on NWs of the same growth batch. (c) The thermal conductivity κ of the different investigated Se-doped InSb NWs plotted as a function of their diameter. (d) The thermal contact resistances for source (S, filled symbols) and drain (D, empty symbols) as a function of NW diameter. The values of the different parameters obtained from the same NW are represented always with the same symbol (indicated in the legend). The bulk values of the different parameters are marked as dashed lines for Te-doped single crystal in (a) and (b) [29], and intrinsic bulk in (c) [22]. The range of values obtained by NWs from Reference [34] is marked as shaded grey areas. More interestingly, the obtained values are ~2 orders of  magnitude  lower  than  the  measured  thermal contact  resistances  for  similar  nanostructures  on SiNx membranes, given by point contacts [19]. This 

is  clearly  an  important  advantage  of  the method here  described,  and  the  large  difference  is  likely due  to  the more  standard  and  reliable  contacting 

Page 10: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

10Nano Res.         

procedures  can  be  used  in  our  case. We  remind here  that  top  contacts  are  realized using  standard lithography, chemical passivation, and choosing the most  suitable metal  for  contacts. On  the  contrary, focused  ion  beam  or  electron  beam  induced deposition  (as  in  the  case  of membrane  devices) restricts  the  number  of metallic  contact materials, and  allows  a  much  more  limited  control  of  the interfaces.  Therefore,  our method  provides much better  electrical  and  thermal  contacts with  respect to the membrane devices. As discussed in the next section, since the NWs are subject to a focused laser excitation, it is important to assess the impact of photo‐excited carriers in the described measurement procedure. To this end we also performed a measurement of the conductivity and  Seebeck  coefficient  by  an  all  electrical field‐effect  measurements  on  the  same  Se‐doped InSb NW  as‐grown  sample  investigated with  the combined Raman‐transport method.  2.3  S  and  σ  determined  by  field‐effect  transistor measurements  Since  the excitation  laser has energy  far above  the InSb  bandgap,  one  issue  that  needs  to  be considered  is  the  presence  of  other  possible mechanisms  that  can  generate  current  in semiconductors  exposed  to  illumination.  Spatially resolved  photocurrent  measurements  have  been extensively used  to  investigate carrier  transport  in NWs, nanotubes and thin films [45‐54]. In addition to thermoelectric effect, light exposure can generate built‐in  electric  field  responsible  for  electron‐hole separation, which can diffuse or drift to the electric contacts.    Recently,  electro‐thermodynamic modeling  of  semiconductor  NWs  under  local injection of non‐equilibrium carriers has shown the interplay  of  the  different  effects,  and  predicted photocurrent  profiles  for  different  types  of electrical  contacts  [55].  Time‐resolved  scanning photocurrent  measurements  on  GaAs  and  InAs NWs,  carbon nanotubes,  and graphene have been used to resolve the different temporal contributions to  the  photocurrent  at  the  picosecond  time  scale [48,49,52,53].  In  order  to  understand  the  role  of possible photo‐excited charge carriers, independent field‐effect  transistor  measurements  of  electrical conductivity and Seebeck  coefficient of  individual Se‐doped  InSb  NWs  were  performed,  indicating consistent  findings  with  the  results  from  the 

combined  Raman  spectroscopy  and  transport measurements. This is a strong evidence that, even if  present,  the  photovoltaic  effect  in  our measurements is negligible with respect to thermal effects.  Furthermore,  the  temperature dependence of  the  electrical  conductivity  as  measured  from all‐electrical measurements (shown  in Figure S4 of the ESM) is comparable with the behavior observed with combined Raman and electrical measurement (Figure 2(c)), indicating that the sample response is dominated by thermal effects.   Figure  4(a)  shows  one  of  the  NW  field‐effect transistors  (FETs)  devices.  Se‐doped  InSb  NWs from  the  same  growth  batch  used  for  Raman measurements  were  drop‐casted  over  a  SiO2/Si substrate  and  source  and  drain  electrodes  were fabricated  at  a  relative  distance  of  1.1  μm.  The multicontact  arrangement  visible  in  Figure  4(a) allows  to  operate  the  electrodes  both  as  electrical leads  and  resistive  thermometers,  sampling temperatures TS and TD at the two ends of the FET and the thermal bias ΔT = TD − TS. Operation details and  performance  of  the  heating  scheme,  together with  precise  information  on  the  measurement procedure, have been presented elsewhere  [15,16]. The direct measurement of TS and TD, together with the  large ΔT attainable, allow us  to determine  the precise  mapping  of  S(σ,T)  in  the  explored temperature range for ΔT ranging from a minimum of ≈0.6 K to a maximum of ≈8.5 K. In Figure 4(b) we  report  the  S  vs  σ  curves  obtained  for  five different temperatures above 300 K. The device was thermalized at temperature of 295 K, then the local heater  was  voltage  biased  to  establish  along  the NW  the  temperature  difference  indicated  in parenthesis  in Figure 4(b). S  exhibits a monotonic dependence  on T  for  every  given  value  of  σ,  and the  T‐dependence  of  S  is  linear  in  first approximation  (although  this  is  more  evident  in the  S/T  vs  σ  curves  reported  in  Figure  S11  of  the ESM).    The  corresponding  power  factor  S2σ  is plotted  as  function  of  σ  in  Figure  4(c).   

Page 11: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

11 Nano Res.         

 Figure 4 Field-effect Seebeck measurements of individual Se-doped InSb NWs. (a) Scanning electron micrograph of one of the investigated devices. The NW is deposited onto a 300 nm-thick SiO2 layer grown on top of n-doped bulk silicon substrate, which acts as a back-gate. A buried heater (H+, H-) is adopted to induce temperature gradients up to 8 K/μm along the NW axis. Four-terminals Ti/Au electrodes are fabricated at the hot and cold sides of the nanostructure, allowing the AC electrical detection of the temperature difference established between the NW ends and, simultaneously, the DC measurement of the I-V characteristic. The measurement set-up, whose DC part is sketched in the overlay, allows the field-effect control of the resistance R and of the Seebeck coefficient S. (b) S vs electrical conductivity, σ, at different temperatures above 300 K. The corresponding temperature differences between the hot and cold end of the NW are reported in brackets. The values of S are extracted by the measurement of R and of the thermovoltage Vth for applied back-gate voltages in the range (0,+10 V). (c) Power factor S2σ as a function of σ at different temperatures. We  highlight  that  the  results  obtained  using  the two different methods  very  nicely match.  In  both cases we have measured individual Se‐doped InSb 

NWs with diameters around 180 nm coming  from the same growth batch. From the comparison of the data  reported  in Figure 3 and Figures 4(b)‐(c),  the emerging  scenario  is  that  NWs  exhibit  Seebeck coefficient  S  in  the  range  150‐250  μV/K  for temperatures above 300 K, while  the power  factor S2σ exceeds 0.3 mW/(mK2) with σ > 80 S/cm. As  an  additional  assessment  of  the  impact  of photo‐excitation effects, we also aimed  to separate the temporal contribution of the thermocurrent and photocurrent  via  frequency  dependent measurements modulating the laser with an optical chopper.  The  chopper  frequency  dependent measurements are shown in Figure S13 of the ESM. We  observed  a  significant  variation  on  the measured  photocurrent  starting  from  ~3  kHz chopping  frequency  up  to  ~6  kHz,  depending  on the  laser  position  along  the NW. This means  that the main contribution to the photocurrent is due to mechanism happening in the time scale of ~300 μs. Since  photocurrent  is  expected  to  have  a  shorter time scale than thermal mechanism [51], we believe that  the  measured  current  is  driven  by  thermal effects.   Finally,  in  ESM9 we  present  an  estimation  of  the photo‐  and  thermally‐driven  contributions  to  the electrical conductivity, which also points  toward a prevalent thermal effect.  2.4 ZT analysis  From  the  fitting  of  the  electrical  data  and  of  the temperature profiles, we  can  estimate  the  thermal conductivity κ and the Seebeck coefficient S of our Se‐doped  InSb NWs.  The  two  quantities  together with the electrical conductivity measured from the I‐V characteristic curves provide the thermoelectric figure of merit ZT.   We extracted  the ZT value at zero  laser power by extrapolating  from  the power dependence  of  the maximum ZT measured  along the NWs. Details of  the  figure of merit calculation are described in the ESM5.       The obtained  results  for  the  investigated NWs are summarized in Figure 5. 

Page 12: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

12Nano Res.         

 Figure 5 Figure of merit ZT for the Se-doped InSb NWs at zero laser power. Each symbol indicates a different NW. The ZT bulk single crystal value for Te-doped InSb [29] is marked as a dashed line and the range of values obtained by NWs from Reference [34] is marked as shaded grey area. For  comparison, we  show  the  ZT  value  obtained for  Te‐doped  InSb  bulk  single  crystal  at  room temperature [29] as a dashed line, and the range of values measured for two Sb‐doped InSb NWs from Reference  [34]  marked  as  shaded  grey  area.  For Se‐doped  InSb NWs with  diameters  between  130 and 195 nm we  find ZT values between 0.014 and 0.025 at room temperature. These values are larger than the values reported for Sb‐enriched InSb NWs, with similar diameters [34] and are the highest ever reported  for  InSb  NWs,  to  the  best  of  our knowledge.  In  our  case,  the  larger  Seebeck coefficients compensate the smaller suppression of the thermal conductivity with respect to Reference [34]. We can attribute this enhancement of ZT to a higher electronic mobility with respect to Reference [34].  Measured  Seebeck  values  are  however  still lower than those reported for single crystal InSb for similar  values  of  σ  [29].  In  turn,  this  leads  to  the currently  smaller  ZT.  We  attribute  this  effect  to un‐optimal  doping  in  the  current  InSb nanostructures.  3 Conclusion  In  conclusion, we  showed  a  new method  for  the complete  benchmark  of  the  thermoelectric properties of  individual  semiconductor NWs  and, in particular, Se‐doped InSb NWs. Combined laser heating, Raman spectroscopy and simple electrical measurements allow  the determination of  the NW thermoelectric figure of merit ZT, together with the 

estimate  of  the  thermal  contact  resistances  at  the NW‐source/drain  contacts.  The  temperature  and electrical  data  are  well  described  by  1D  heating model,  which  includes  Gaussian  heat  source. Comparison  with  field‐effect  transistor  Seebeck measurements  shows  a  good  agreement  between the obtained results, confirming the validity of the proposed method. Measured ZT values are,  to  the best of our knowledge,  the best reported so far on single InSb NWs.  4 Methods  4.1 Nanowire growth    Au‐assisted  Se‐doped  InSb  NWs  are  grown  by chemical  beam  epitaxy  on  InAs  (111)B  substrates, with a InSb length of ~4.5 μm and diameters in the range  ~50‐200  nm.  Morphology,  structure  and growth protocol of the NWs are presented in detail in the ESM1.  4.2 Device fabrication and electronic setup    Several parallel gold stripes with 100 nm thickness (10/90  nm  of  Ti/Au),  2  μm  width,  and  ~2  μm separation were  fabricated via optical  lithography and metal  evaporation on a SiO2/Si  substrate. The InSb NWs were dropcasted on  the device and  the wires  suspended  between  two  gold  stripes  were identified using optical imaging. Subsequently, the top  contacts were  fabricated  using  electron  beam lithography  and  evaporating  10/120  nm  of  Ti/Au. The  gold  stripes were  connected  to  the  electronic setup. The  bias was  supplied  using  a DC  voltage source,  and  the  current  was  measured  via  a low‐noise current preamplifier.  4.3 Raman setup    We  used  the  676.4  nm  line  (EL  =  1.83  eV)  of  a tunable  Ar+‐Kr+  laser,  focused  through  a  100x objective  with  0.95  numerical  aperture,  both  as excitation  energy  for Raman  spectroscopy  and  as local heater of  the NW. The Gaussian  spot  size of the laser has a full width at half maximum (FWHM) of  ~840  nm.    For  each NW we  selected  the  laser power  in  order  to  avoid  local  Sb  segregation  and structural  modification  of  the  NW  (see  ESM10) [36,56]. The Raman spectra were collected by an XY Dilor  triple  spectrometer  equipped  with  a  Si 

Page 13: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

13 Nano Res.         

multichannel  charged  couple  detector,  with  a resolution of ~1cm‐1. The device was placed on a xy piezo  stage  with  a  precision  of  10  nm,  which allowed spatially resolved measurements.    4.4 Field effect transistor measurements    In our  case we have  addressed  the  thermoelectric response  of  the  NWs  for  over  40  temperature values between 86 K and 360 K  (see ESM7  for  the full  dataset  presentation  and  analysis).  Large thermovoltage values  in excess of 1 mV have been induced in devices comprising a single InSb NW as the  active  element,  and  these  values  were modulated  by  a  field  effect.  From  the  back‐gate dependence of  the conductance we can extract  the standard  field  effect  electron mobility  μe,FE  value. However, this value is known to be underestimated since  it  is  strongly  affected  by  surface  states  and gate hysteresis  effects. To bypass  this problem we provided an independent estimate of the “Seebeck” electron mobility  μe,S based  on  the  dependence  of the S vs σ curves on electron scattering  times  (see ESM11) [15].  Acknowledgements  We  thank  M  Bichler  and  H  Riedl  for  excellent experimental  help.  We  acknowledge  financial support  by  the Deutsche  Forschungsgemeinschaft via  the  Excellence Cluster  “Nanosytems  Initiative Munich”  and  the  TUM  Institute  for  Advanced Study.  F.R.  acknowledges  financial  support  from the  Italian MIUR  through  the  FIRB  ‐  “Futuro  in Ricerca” project BFR13NEA4 “UltraNano”. 

Electronic  Supplementary  Material: Supplementary  material  (Description  of nanowire  synthesis,  example  of  I‐V  curves  and Raman  spectra,  comparison  with  short  circuit measurements,  temperature  dependence  of electrical  conductivity,  details  on  fitting procedure  and  on  figure  of  merit  evaluation, thermal  conductivity  diameter  dependence,  full field‐effect  transistor  measurements,  frequency dependent  thermocurrent  measurements, photo‐and  thermally  driven  electrical conductivity,  laser  induced Sb precipitation, and mobility  calculation)  is  available  in  the  online 

version  of  this  article  at http://dx.doi.org/10.1007/s12274‐***‐****‐*    References  [1] Hicks, L. D.; Dresselhaus, M. S. Effect of Quantum-Well

Structures on the Thermoelectric Figure of Merit. Phys. Rev. B 1993, 47, 12727-12731.

[2] Hicks, L. D.; Dresselhaus, M. S. Thermoelectric Figure of Merit of a One-Dimensional Conductor. Phys. Rev. B 1993, 47, 16631-16634.

[3] Majumdar, A. Thermoelectricity in Semiconductor Nanostructures. Science 2004, 303, 777-778.

[4] Heremans, J. P.; Dresselhaus, M. S.; Bell, L. E.; Morelli, D. T. When Thermoelectrics Reached the Nanoscale. Nature Nanotechnology 2013, 8, 471-473.

[5] Bell, L. E. Cooling, Heating, Generating Power, and Recovering Waste Heat with Thermoelectric Systems. Science 2008, 321, 1457-1461.

[6] DiSalvo, F. J. Thermoelectric Cooling and Power Generation. Science 1999, 285, 703-706.

[7] Zhao, L.-D.; Lo, S.-H.; Zhang, Y.; Sun, H.; Tan, G.; Uher, C.; Wolverton, C.; Dravid V. P. & Kanatzidis M. G. Ultralow Thermal Conductivity and High Thermoelectric Figure of Merit in SnSe Crystals. Nature 2014, 508, 373-378.

[8] Roh, J. W.; Jang S. Y.; Kang, j.; Lee, S.; Noh, J.-S.; Kim, W.; Park, J.; Lee, W. Size-Dependent Thermal Conductivity of Individual Single-Crystalline PbTe Nanowires. Appl. Phys. Lett. 2010, 96, 103101.

[9] Li, D.; Wu, Y.; Kim, P.; Shi, L.; Yang, P.; Majumdar, A. Thermal Conductivity of Individual Silicon Nanowires. Appl. Phys. Lett. 2003, 83, 2934-2936.

[10] Zhou, F.; Moore, A. L.; Bolinsson, J.; Persson, A.; Froeberg, L.; Pettes, M. T.; Kong, H.; Rabenberg, L.; Caroff, P.; Stewart, D. A.; Mingo, N.; Dick, K. A.; Samuelson, L.; Linke, H.; Shi, L. Thermal Conductivity of Indium Arsenide Nanowires with Wurtzite and Zinc Blende Phases. Phys. Rev. B 2011, 83, 205416.

[11] Doerk, G. S.; Carraro, C.; Maboudian, R. Single Nanowire Thermal Conductivity Measurements by Raman Thermography. ACS Nano, 2010, 4, 4908–4914

[12] Soini, M.; Zardo, I.; Uccelli, E.; Funk, S.; Koblmüller, G.; Fontcuberta i Morral, A.; Abstreiter, G. Thermal Conductivity of GaAs Nanowires Studied by micro-Raman Spectroscopy Combined with Laser Heating. Appl. Phys. Lett. 2010, 97, 263107.

[13] Zhou, F.; Seol, J. H.; Shi, L.; Ye, Q. L.; Scheffler, R. One-Dimensional Electron Transport and Thermopower in an Individual InSb Nanowire. J. Phys.: Condens. Matter 2006, 18, 9651-9657.

[14] Shapira, E.; Tsukernik, A.; Selzer, Y. Thermopower Measurements on Individual 30 nm Nickel Nanowires. Nanotechnology 2007, 18, 485703.

[15] Roddaro, S.; Ercolani, D.; Mian, A.; Suomalainen, S.; Rossella, F.; Giazotto, F.; Sorba, L.; Beltram, F. Giant Thermovoltage in Single InAs Nanowire Field-Effect Transistors. Nano Lett. 2013, 13, 3638−3642.

[16] Roddaro, S.; Ercolani, D.; Mian, A. S.; Rossella, F.; Piazza, V.; Giazotto, F.; Sorba, L.; Beltram, F. Large Thermal Biasing of Individual Gated Nanostructures.

Page 14: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

14Nano Res.         

Nano Research 2014, 7, 579-587. [17] Shi, L.; Li, D. Y.; Yu, C. H.; Jang, W. Y.; Kim, D.; Yao,

Z.; Kim, P.; Majumdar, A. Measuring Thermal and Thermoelectric Properties of One-Dimensional Nanostructures Using a Microfabricated Device. Journal of Heat Transfer, 2003, 125, 881–888.

[18] Shi, L. Thermal and Thermoelectric Transport in Nanostructures and Low-Dimensional Systems. Nanosc. Miscrosc. Therm. 2012, 16, 79-116.

[19] Zhou, F.; Perrson, A.; Samuelson, L.; Linke, H.; Shi, L. Thermal Resistance of a Nanoscale Point Contact to an Indium Arsenide Nanowire. Appl. Phys. Lett. 2011, 99, 063110.

[20] Mingo, N. Thermoelectric Figure of Merit and Maximum Power Factor in III–V Semiconductor Nanowires. Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 2652.

[21] Stuckes, A. D. Thermal Conductivity of Indium Antimonide. Phys. Rev. 1957, 107, 427-428.

[22] Bowers, R.; Ure Jr., R. W.; Bauerle, J. E.; Cornish, A. J. InAs and InSb as Thermoelectric Materials. J. Appl. Phys. 1959, 30, 930-934.

[23] Mielczarek, E. V.; Frederiske, H. P. R. Thermal Conductivity of Indium Antimonide at Low Temperatures. Phys. Rev. 1959, 115, 888-891.

[24] Busch, G.; Steigmeier, E. Wärmeleitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Hall-Effekt und Thermospannung von InSb. Helv. Phys. Acta. 1961, 34, 1-28.

[25] Holland, M. G. Phonon Scattering in Semiconductors from Thermal Conductivity Studies. Phys. Rev. 1964, 134, A471-A480.

[26] Bhandari, C. M.; Verma, G. S. Role of Longitudinal and Transverse Phonons in Lattice Thermal Conductivity of GaAs and InSb. Phys. Rev. 1965, 140, A2101-A2104.

[27] Kosarev, V. V.; Tamarin, P.V.; Shalyt, S. S. Thermal Conductivity of Indium Antimonide at Low Temperatures. Phys. Stat. Solidi (b) 1971, 44, 525-530.

[28] Nakwaski, W. Thermal Conductivity of Binary, Ternary, and Quaternary III‐V Compounds. J. Appl. Phys. 1988, 64, 159.

[29] Yamaguchi, S.; Matsumoto, T.; Yamazaki, J.; Kaiwa, N.; Yamamoto, A. Thermoelectric Properties and Figure of Merit of a Te-Doped InSb Bulk Single Crystal. Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 201902.

[30] Vedernikov, M. V.; Uryupin, O. N.; Goltsman, B. M.; Ivanov, Yu. V.; Kumzerov, Yu. A. Experimental Thermopower of Quantum Wires. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 2001, 691. DOI 10.1557/PROC-691-G8.34.

[31] Kumzerov, Yu. A.; Smirnov, I. A.; Firsov, Yu. A.; Parfen´eva, L. S.; Misiorek, H.; Mucha, J.; Jezowski, A. Thermal Conductivity of Ultrathin InSb Semiconductor Nanowires with Properties of the Luttinger Liquid. Phys. Solid State 2006, 48, 1584-1590.

[32] Seol, J. H.; Moore, A. L.; Saha, S. K.; Zhou, F.; Shi, L. Measurement and Analysis of Thermopower and Electrical Conductivity of an Indium Antimonide Nanowire from a Vapor-Liquid-Solid Method. J. Appl. Phys. 2007, 101, 023706.

[33] Jurgilaitis, A.; Enquist, H.; Andreasson, B. P.; Persson, A. I. H.; Borg, B. M.; Caroff, P.; Dick, K. A.; Harb, M.; Linke, H.; Nüske, R.; Wernersson, L.-E.; Larsson, J.

Time-Resolved X-ray Diffraction Investigation of the Modified Phonon Dispersion in InSb Nanowires. Nano Letters 2014, 14, 541.

[34] Zhou, F.; Moore, A. L.; Pettes, M. T.; Lee, Y.; Seol, J. H.; Ye, Q. L.; Rabenberg, L.; Shi, L. Effect of Growth Base Pressure on the Thermoelectric Properties of Indium Antimonide Nanowires. J. Phys. D: Appl. Phys. 2010, 43, 025406.

[35] Costa, S. C.; Pizani, P. S.; Rino, J. P. Molecular Dynamics Simulation of Dynamical Properties of InSb. Phys. Rev. B 2003, 68, 073204.

[36] Liarokapis, E.; Anastassakis, E. Light Scattering of InSb at High Temperatures. Phys. Rev. B 1984, 30, 2270(R).

[37] Zardo, I.; Conesa-Boj, S.; Peiro, F.; Morante, J. R.; Arbiol, J.; Uccelli, E.; Abstreiter, G.; Fontcuberta i Morral, A. Raman Spectroscopy of Wurtzite and Zinc-Blende GaAs Nanowires: Polarization Dependence, Selection Rules, and Strain Effects. Phys. Rev. B 2009, 80, 245324.

[38] Doerk, G. S.; Carraro, C.; Maboudian, R. Temperature Dependence of Raman Spectra for Individual Silicon Nanowires. Phys. Rev. B 2009, 80, 073306.

[39] Pinczuk A. and Burstein, E. Raman Scattering from InSb surfaces at photon energies near the E1 energy gap. Phys. Rev. Lett. 1968, 21, 1073.

[40] Wang, X. and Xu, X. Thermoelastic wave induced by pulsed laser heating. Appl. Phys. A 2001, 73, 107.

[41] H. W; Compaan, A. Raman measurements of temperature during cw laser heating of silicon, J. Appl. Phys. 1980, 51, 1565.

[42] Swinkels, M. Y.; van Delft, M. R.; Oliveira, D. S.; Cavalli, A.; Zardo, I.; van der Heijden, R. W.; Bakkers, E. P. A. M. Diameter dependence of the thermal conductivity of InAs nanowires. Nanotechnology 2015, 26, 385401.

[43] Oskooi, A. F.;Roundy, D.; Ibanescu, M.; Bermel, P.; Joannopoulos, J.D.; Johnson, S.G. MEEP: A Flexible Free-Software Package for Electromagnetic Simulations by the FDTD Method. Comp. Phys. Commun. 2010, 181, 687-702.

[44] Seol, J.H. Thermal and Thermoelectric Measurements of Silicon Nanoconstrictions, Supported Graphene, and Indium Antimonide Nanowire. Ph.D. Dissertation, University of Texas, TX, USA, 2009.

[45] Pettersson, H.; Tragardh, J.; Persson, A. I.; Landin, L.; Hessman, D.; Samuelson, L. Infrared Photodetectors in Heterostructure Nanowires. Nano Lett. 2006, 6, 229.

[46] Thunich, S.; Prechtel, L.; Spirkoska, D.; Abstreiter, G.; Fontcuberta i Morral, A.; Holleitner, A. W. Photocurrent and Photoconductance Properties of a GaAs Nanowire. Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 083111.

[47] Varghese, B.; Tamang, R.; Tok, E. S.; Mhaisalkar, S. G.; Sow, C. H. Photothermoelectric Effects in Localized Photocurrent of Individual VO2 Nanowires. J. Phys. Chem. C 2012, 114, 15149.

[48] Prechtel, L.; Padilla, M.; Erhard, N.; Karl, H.; Abstreiter, G.; Fontcuberta i Morral, A.; Holleitner, A. W. Time-Resolved Photoinduced Thermoelectric and Transport Currents in GaAs Nanowires. Nano Lett. 2012, 12, 2337.

[49] Erhard, N.; Seifert, P.; Prechtel, L; Hertenberger, S.; Karl, H.; Abstreiter, G.; Koblmüller, G.; Holleitner, A. W.

Page 15: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

www.theNanoResearch.com∣www.Springer.com/journal/12274 | Nano Research

15 Nano Res.         

Ultrafast Photocurrents and THz Generation in Single InAs-Nanowires. Ann. Phys. (Berlin) 2013, 525, 180.

[50] St-Antoine, B. C.; Ménard, D.; Martel, R. Position Sensitive Photothermoelectric Effect in Suspended Single-Walled Carbon Nanotube Films. Nano Lett. 2009, 9, 3503.

[51] St-Antoine, B. C.; Ménard, D.; Martel, R. Photothermoelectric Effects in Single-Walled Carbon Nanotube Films: Reinterpreting Scanning Photocurrent Experiments. Nano Res. 2012, 5, 73.

[52] Prechtel, L.; Song, L.; Manus, S.; Schuh, D.; Wegscheider, W.; Holleitner, A. W. Time-Resolved Picosecond Photocurrents in Contacted Carbon Nanotubes. Nano Lett. 2011, 11, 269.

[53] Prechtel, L.; Song, L.; Schuh, D.; Ajayan, P.; Wegscheider, W.; Holleitner, A. W. Time-Resolved Ultrafast Photocurrents and Terahertz Generation in Freely Suspended Graphene. Nat. Commun. 2012, 3, 646.

[54] Buscema, M.; Barkelid, M.; Zwiller, V.; van der Zant, H. S. J.; Steele, G. A.; Castellanos-Gomez, A. Large and Tunable Photothermoelectric Effect in Single-Layer MoS2. Nano Lett. 2013, 13, 358.

[55] Fu, D.; Zou, J.; Wang, K.; Zhang, R.; Yu, D.; Wu, J. Electrothermal Dynamics of Semiconductor Nanowires under Local Carrier Modulation. Nano Lett. 2011, 11, 3809.

[56] Yazji, S.; Zardo, I.; Soini, M.; Postorino, P.; Fontcuberta i Morral, A.; Abstreiter, G. Local Modification of GaAs Nanowires Induced by Laser Heating. Nanotechnology 2011, 22, 325701.

Page 16: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

1

Electronic Supplementary Material

Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis Sara Yazji1,2, Eric A. Hoffman1,2, Daniele Ercolani3, Francesco Rossella3, Alessandro Pitanti3, Alessandro Cavalli1, Stefano Roddaro3, Gerhard Abstreiter1,2, Lucia Sorba3, and Ilaria Zardo1,4( )

1 Walter Schottky Institut & Physik Department, Technische Universität München, D-85748, Garching, Germany 2 Institute for Advanced Study, Technische Universität München, D-85748 Garching, Germany 3 NEST, Istituto Nanoscienze-CNR and Scuola Normale Superiore, I-56127 Pisa, Italy

4  Applied Physics, Photonics & Semiconductor Nanophysics, Eindhoven University of Technology, MB 5600 Eindhoven, The

Netherlands 

Supporting information to DOI 10.1007/s12274-****-****-* (automatically inserted by the publisher) 

 

 

ESM1‐Nanowire synthesis 

All Se‐doped InSb NW growths were performed by Au‐assisted CBE in a Riber Compact 21 system. The system employs pressure control in the metalorganic (MO) lines to determine precursor fluxes during the sample growth. The precursors  involved  in  the NW growth are  tri‐methyl  indium  (TMIn),  tertiarybutyl arsine  (TBAs),  tert‐dimethylaminoantimony  (TDMASb)  and DiTertiaryButylSelenide  (DTBSe),  the  latter being used as selenium source for n‐type doping. A nominally 0.5 nm–thick Au film was first deposited on (111)B InAs wafers by thermal evaporation. Before the growth was  initiated, the samples were heated at 560±5 °C under TBAs flow for 20 min in order to dewet the Au film into nanoparticles and to remove the surface oxide from the InAs substrate. Se‐doped InAs stems were grown at a temperature of 430±5 °C for 90 mins with MO  line  pressures  of  0.3,  1  and  0.6  Torr  for  TMIn,  TBAs,  and DTBSe,  respectively.  The temperature was  then  lowered  to  410 °C  and  InSb  segments were  grown  for  120 mins with MO  line pressures  of  0.4,  0.7  and  0.6  Torr  for TMI,  TDMASb  and DTBSe,  respectively.    In  order  to  reduce  the lateral  growth,  the  temperature was  increased  up  to  445±5 °C  and  the  InSb  segments were  grown  for another 270 mins. A first demonstration of InSb growth using InAs stems has been showed  in Reference 

Page 17: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

2

[S1] with MOVPE  technique.  The  good morphology  and  excellent  yield  of  the  Se‐doped  InSb NWs  is demonstrated in Figure S1, where 45o tilted SEM micrograph of the sample is shown.   

  The  investigated  InSb NWs  have  zincblende  crystal  structure  [S2],  a  length  of  ~4.5 mm  and  a  wide diameter distribution in the 80‐200 nm range. 

 

Figure S1 45o tilted SEM micrograph of the as-grown Se-doped InSb NWs.

ESM2‐Position dependent I‐V curves and Raman spectra 

At  each  position  of  the  laser,  the  Raman  spectrum  and  the  current‐voltage  (I‐V)  characteristic  are recorded simultaneously. The measurements were performed every 250 nm along the NW. We collected two Raman  spectra  (180  seconds of  integration per  spectrum)  for  each  laser position, which were  then averaged, and we averaged six I‐V curves. As mentioned in the main text, bias was kept below 10 mV in order to avoid additional Joule heating. Indeed, considering the upper bound voltage of 10 mV, and the nanowire with  lower dark electrical resistance  (NW D, ~5kW), we obtain  the maximum Joule heating of ~20  (10‐3) μW. Considering  the  results obtained  for  the absorbed power  inside  the nanowire,  the  lowest power absorbed among the investigated nanowire is ~27μW, therefore 3 order of magnitudes higher than the  Joule heating.        The position dependent  I‐V  curves and Raman  spectra  relative  to Figure 2 of  the main  text  are  shown  in  Figure  S2,  together  with  a  titled  SEM  image  of  nanowire  C  with  lower magnification than Figure 2(a) of the main text. 

Address correspondence to Ilaria Zardo, [email protected]

Page 18: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

3

 

Figure S2 (a) Tilted SEM image of the Se-doped nanowire C, where also gold stripes and top contacts are well visible. (b)

Position dependent I-V curves for NW Cat 135 µW laser power (PL). For every position six I-V curves are shown. (c) Waterfall

plot of Raman spectra collected from the same NW at the same laser power as in (b) for different positions along the NW. Spectra

are shifted vertically for clarity. The dashed line is a guide for the eyes. The shift of the TO mode is clearly visible. Same color in

(b) and (c) indicates simultaneous measurements corresponding to the same position along the NW.

ESM3‐Thermovoltage measurements 

In the following, we show the comparison of the thermovoltages measured both from direct open circuit measurements and from the I‐V curves. The measurement configurations are shown in Figure S3(a) and (b). In one case (Figure S3(a)) the open circuit thermovoltage (I=0)  is measured via a high‐impedance (1 TΩ) differential voltage preamplifier connected  to  the NW ends.  In  the second case (Figure S3(b)) a bias V  is supplied at one end of the NW and the current I is measured through the current preamplifier at the other extremity. The thermovoltage is extrapolated from the I‐V characteristic curves taking the voltage value at zero  current  V(I  =  0).  The  comparison  between  the  two  different  spatially  resolved  thermovoltage measurements  is shown  in Figure S3(c)  for 45 μW  laser power  (corresponding  to a power density of ~8 kW/cm2).   

 

Page 19: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

4

 

Figure S3 Schematic of the two measurement configurations. The scanning electron micrograph is relative to one of the two

measured Se-doped InSb NWs (circle in (c)). The white bar corresponds to 1 µm, and the red circle represents the laser spot. (a)

Open circuit configuration for thermovoltage measurement. VOC is measured via a voltage preamplifier. (b) Configuration for I-V

measurements. A bias V is applied at one end of the NW, and the current I is measured via a current preamplifier at the other NW

end. The thermovoltage is the bias value for which I = 0. (c) Thermovoltage as a function of the laser position along the NW in the

measurements configurations shown in (a) (black squares) and (b) (red circles). The laser power density is fixed at 45 µW.

ESM4‐Temperature dependence of the InSb NWs electrical conductivity   

In Figure S4 we  show  the  electrical  conductivity  as  a  function of  temperature  as measured  from  the all‐electrical  method  at  zero  gate  voltage  (see  ESM7  for  the  measurement  details).  σ  increases  with temperature in agreement with the measurements performed with laser heating (see Figure 2 of the main text for comparison).   

 

Figure S4 Electrical conductivity σ of an individual Se-doped InSb NW as a function of temperature T as measured from the

all-electrical method. Different symbols refer to different thermal cycles.

 

ESM5‐Details on fitting procedure and on figure of merit evaluation 

Page 20: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

5

We use  the 1D heat equation  to model  the  laser heating and  resulting heat  flow  through  the NW by including a Gaussian driving term and a convective dissipation term. In this model, the temperature, T, is the local temperature rise (relative to room temperature), and varies as a function of position, x, along the NW. The static diffusion equation is an inhomogeneous ordinary differential equation of the form 

,0)()(exp1)(dA 2

2

2

2

=−⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ −−+ xT

wxx

wP

dxxT

airLabs κ

πκ (S1)

where  κ  is  the  conductivity  of  the NW  (in W/mK), A  is  the  cross‐sectional  area  of  the NW, Pabs  is  the absorbed laser power, xL is the position of the laser, w=500 nm is the laser beam waist, and κair is the heat convection  to  the  atmosphere per unit  length  (in W/mK). The  second  terms  represents  the normalized Guassian profile of the laser beam. The NW diameter as well as the thermal length are estimated from the SEM images. We approximated the NW cross section A to a hexagon.    Pabs is calculated from ab initio finite difference simulations, using MEEP software. In our simulation, we  inserted several relevant  information of the investigated system (material of the nanowire and of the substrate, NW diameter, distance from the substrate z, laser wavelength and its FWHM). The estimated absorbed power is calculated keeping all the mentioned  details  into  account.  Several  simulations  were  performed  in  order  to  find  values  of  the resolution,  simulation  area, perfect matching  layers  that produces  converging values of  the  absorption. Error on absorbed power  is estimated calculating  the absorption  in  the entire NW diameter and z range given by their errors. Then we evaluated the maximum deviation from the value calculated for the mean diameter and z, and gave it as the error on absorption. From our simulation on absorbed power we found a range of relative errors between 2% and 5% that is therefore comparable or smaller than relative error on temperatures. The absorption uncertainty contributes less than the measurement error when determining the fit parameters for a single laser power, and it is negligible in the global fit procedure.  The solution to the above differential equation is 

1 2( ) ( )mx mxT x C e C e D x−= + + , (S2)

Where m2=κair/κA,  the  coefficients  C1  and  C2  are  independent  of  x,  and D(x)  is  the  particular  integral satisfying the laser driving term. D is given by, 

2( /2) 2 2( ) ( )2( ) 2( )( ) .

4 2 2L L

mwm x x m x xL Le x x mw x x mwD x P e Erf e Erf

m A w wκ− − −

⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞− − − +⎜ ⎟= −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠ (S3)

Here Erf is the error function. The coefficients C1 and C2 are determined by the two boundary conditions based on the thermal contact resistances RCS and RCD at the semiconductor‐metal interfaces at the respective source and drain ends of the NW. The temperature drop across an interface is equal to its contact resistance times the heat flow through that interface. The change  in temperature at the source/drain end of the NW 

)2/(, LTT DS m=   is related to the thermal contact resistance RCS,D according to  DSC

DSDS QRT ,

.

,, = , where 

DSQ ,

.  is  the associated heat current  from NW  to contact. According  to Fourier’s  law,  the magnitude of 

heat flux is  dxdTAQ /.

κ= . Therefore, Fourier’s law and RCS,D dictate the following boundary conditions 

Page 21: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

6

, ,,

CS D S D

S D

dTT R Adx

κ= ,    (S4) 

where the derivative is evaluated at x=‐L/2 and x=+L/2. If the NW is perfectly heat sunk to the leads, then RCS,D=0. This  is of  course an unlikely  situation; a  contact  resistance at  semiconductor‐metal  interfaces  is unavoidable. Indeed  thermal contact resistance has been observed  in carbon nanotube  [S3] and Si based NW devices  [S4]. The primary benefit of  these boundary  conditions, as opposed  to assigning TS,D  from data  alone,  is  that  RCS,D  are  independent  of  laser  power,  thereby  reducing  the  number  of  unknown parameters when fitting data. The temperature rise at the left and right ends of the NW are 

/2( / 2) ( / 2)C C

S Sx L

dTT L R Q L R Adx

κ=−

− = − = ,      (S5) 

/2( / 2) ( / 2)C C

D Dx L

dTT L R Q L R Adx

κ=

= = .          (S6) 

These two equations can be used to find   

/2 /2

1

( ) ( / 2) ( / 2) ( ) ( / 2) ( / 2)

( )( ) ( )( )

CCmL C mL C SD

S D

mL C C mL C CS D S D

RRe R D L D L e R D L D Lm m

Ce R R e R R

ρ ρ ρ ρ

ρ ρ ρ ρ

⎛ ⎞⎛ ⎞′ ′− + − + − − −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠=+ + − − −

(S7)

And 

/2 /2

2

( ) ( / 2) ( / 2) ( ) ( / 2) ( / 2)

( )( ) ( )( )

CCmL C mL C SD

S D

mL C C mL C CS D S D

RRe R D L D L e R D L D Lm m

Ce R R e R R

ρ ρ ρ ρ

ρ ρ ρ ρ

⎛ ⎞⎛ ⎞′ ′− + + + − − −⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠=+ + − − −

. (S8)

In Figure S5(a) we show an example of the fit to a Raman temperature profile. The required fit parameters are κ, κair, and  the  two contact resistances RCS,D  . The electronic data and the Raman temperature profiles were  fitted with  a  simultaneous  parametric  fit.  VOC  data  is  included  in  the  parametric  fit  while  the redundant ISC    data is not, so that the electronic data does not outweigh the temperature data during the fitting procedure. The  fit  to VOC and  ISC    is shown  in Figure S5(b). The model predicts  the  temperature profile along the NW for every position of the laser, as shown in Figure S5(c). The temperature difference at the NW ends is the temperature gradient ΔT, that is used for thermoelectric characterization. From the predicted temperature profiles it is possible to calculate the temperature gradients ΔT at the NW ends as a function of the laser position along the NW. An example of position dependent ΔT is shown in Figure S5(d). From the ΔT calculation and the VOC data, the Seebeck coefficients can be estimated. From the fitting it is also possible to estimate the temperature at the source and drain TS,D. 

Page 22: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

7

   

Figure S5 (a) Example of the fitting (solid line) of a temperature profile obtained via Raman spectroscopy (open diamonds) at a

fixed laser power, using the 1D hat equation. (b) Fits (solid lines) of the VOC (black squares) and ISC (red circles) data points as a

function of the position of the laser along the NW. Transport data and temperature rises shown in (a) are recorded simultaneously.

(c) Temperature profiles predicted by the model, for different positions of the laser along the NW, indicated by the arrows. (d)

Calculated temperature gradient ΔT between the NW ends as a function of the position along the NW. All the calculation and data

sets shown are relative to the same NW (sample C) and laser power (135 µW).

For each NW, we performed measurements at several  laser powers. The fit parameters can be evaluated either  via  a  global  or  an  individual  fitting  procedure,  namely  using  the  same  parameters  for  all  the measurement sets, changing only the laser power, or changing the four parameters for each measurement set.    The  results  of  the  two different  fitting procedures  are  shown  in  Figure  S6. We  can  see  a  general agreement between individual and global fit parameters. 

Page 23: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

8

 

Figure S6 Thermal conductivities κ and Seebeck coefficients S obtained from the fitting to the Raman temperature profiles and

transport data with the 1D heat equation, for NW C. Symbols represent the results of the individual fitting, while dashed lines are

the result of the global fitting. Empty symbols indicate measurements performed at the end of the power series, as a control.

The electrical conductivities were estimated using the equation:   

,Lσ =

RA,S D (S9)

where  LS,D  is  the  length  of  the NW  between  source  and drain  contact,  and we  assumed homogeneous charge distribution. LS,D is also estimated from the SEM images of the NWs. NW diameters, thermal and electrical  lengths  are  summarized  in  Table  1. As  shown  in  Figure  2(c),  σ  follows  the  behavior  of  the temperature profile measured with Raman spectroscopy. The maximum values of sigma σmax have a linear dependence on the laser power. An example of the power dependence of σmax is shown in Figure S7. The values extrapolated at zero laser power are reported in Figure 3(a) of the main text. 

 

Figure S7 Power dependence of σmax, extrapolated from the position dependent measurement of σ (NW C). The solid line is a linear

fit to the data. 

For each InSb NW, we calculated ZT at every laser power as a function of the laser position along the NW, using the position‐dependent electrical conductivities, and S and κ obtained from the global fitting. Figure S8(a) displays  the position dependent ZT    for one NW at different  laser powers  (NW C). The observed variation of ZT along the NW is caused by the different temperatures induced by the laser beam, including the T‐dependence of Z. Figure S8(b) shows the maximum ZT values (ZTmax) as a function of laser power, 

Page 24: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

9

extracted  from  the  position  dependent ZT  curves. ZTmax    increases  linearly with  laser  power,  and  this agrees with the observation that the electrical conductivity is linear in temperature and therefore linear in laser power. Since an ideal thermoelectric measurement is performed with an infinitely small temperature gradient, fitting the ZTmax values with a straight line, we could extrapolate the room temperature ZT value at zero laser power. It has to be notice that the obtained ZT value is a lower bound of the NW ZT, because the electrical contact resistance decreases the measured electrical conductivity and the resulting ZT value. 

 

Figure S8 (a) Position dependent calculation of ZT, for different powers (indicated by different colors) (NW C). Error bars are not

shown for clarity. (b) ZTmax as a function of laser power.

ESM6‐Thermal conductivity diameter dependence 

If we consider a simple model where the dependence of the thermal conductivity κ on diameter d is given by the reduction of the phonon mean free path due to the nanowire dimensions, we can write the following relation for κ(d): 

0 0κ(d) = κ d / (d +l ) ,                  (S10) 

with  l0 phonon mean  free path and κ0  thermal conductivity of  the bulk. Considering  l0 = 84 nm  [S5] and κ0=17 W/mK, we obtain the result indicated with the black dashed‐dotted line in Figure S9. Alternatively, we can model κ(d) with an exponential behavior, as shown for other semiconductor materials [S6]: 

0 0κ(d) = κ [1 - exp(-l / d)] , (S11)

which is depicted with the continuous grey line in Figure S9. 

Page 25: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

10

 Figure S9 Thermal conductivities of the investigated nanowires (indicated with different symbols) as a function of diameter. Black

dashed-dotted line and grey line and are the calculated κ(d) with equation (S10) and (S11) respectively. Red line is a fit to the data

with equation S(11).  In the investigated diameter range, we obtain a similar dependence of κ on d for both models as expected. In both cases, in the investigated diameter range, the thermal conductivity varies only for a few percent, as experimentally observed (less than 10%).   In particular, equation (S11) reproduces already quite well the measured values. However, the calculated thermal conductivity is lower than the measured one. This can be explained with an over estimation of the phonon mean  free path  l0.  Indeed,  if we perform  a  fit  to  the data with  equation  (S11)  leaving l0 as  free parameter (solid red line), we find l0 = 69 ± 23 nm. Please, notice that the relatively large error can be easily explained by  the  reduced amount of data points and  to  the  reduced diameter  range. A  smaller phonon mean free path for our Se‐doped nanowires compared to the bulk value can be due to the presence of the injected doping carriers.   Performing  a  fit  to  the  data with  equation  (S10)  (line  not  shown  for  clarity) we  find  an  even  smaller phonon mean free path, l0 ~ 17 nm. In any case, a reduction of l0 with respect to bulk explains qualitatively the observed behavior.  ESM7‐Thermoelectric properties of individual Se‐doped InSb NWs in the temperature range from 80 K to 360 K 

The  all‐electrical method  used  to  determine  the  thermoelectric  properties  of  individual  Se‐doped  InSb NWs allowed us to drive thermal bias up to 7.7 K/μm along the NW and a strong field‐effect modulation of  electric  conductance,  achieving  precise  maps  of  S  vs  gate‐controlled  conductivity,  σ,  in  a  wide temperature range. Figures S10 and S11 report the results of the full Seebeck analysis of the whole data set obtained measuring  two different devices  in different  cooldown,  exploring  the  space of  the parameters within the back‐gate interval VBG = (‐14 V,+30 V), induced thermal bias ΔT = (0.6 K, 8.5 K) and temperature T  ~  (86 K, 356 K)  for a  total of more  than 20 different  temperatures. The S(R,T)  curves are  reported  in Figure S10 for resistances between 5 kΩ and 100 kΩ. Figure S11 reports the Seebeck coefficient, the power factor and the S/T curves as function of the electrical conductivity σ, for the same dataset of Figure S10. 

Page 26: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

11

 Figure S10 Results of the Seebeck analysis of the whole data set measured applying a backgate voltage VBG in the range from -14

V to +30 V, at more than 40 different temperatures between ~86 K and ~356 K (selected curves are shown). (a) 3D plot of the

S(R,T) curves. (b) S(R) curves. The arrow indicates the direction of increasing T. Overall, the absolute value of S increases for

increasing temperature (resistance) at given resistance (temperature), as expected. The curves exhibiting the lowest values of R

belong to dataset measured at high temperature applying the highest VBG voltages.

We want to point out here, that we experimentally estimated a series contact resistance < 1 kΩ in the main range  of  temperature  and  back‐gate  voltage  used  in  this  work.  For  simplicity  and  since  field  effect transistor measurements were used  as  a  cross‐check of  the main  results obtained by  the other method presented  here, we  neglected  the  contact  resistance  in  our  analysis. However,  this  affects  the  reported electrical conductivity  ‐ and  thus  the power  factor but not  the Seebeck coefficient  ‐ by an underestimate that can reach ~12%  in the case of the highest temperature and applied gate voltage (lowest resistance) but drops rapidly well below 10% as the measured resistance exceeds 10 kΩ. 

Page 27: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

12

 

Figure S11 Results of the Seebeck analysis of the full dataset measured at different temperatures from 86.3 K to 355.8 K. (a) S

curves as function of the electrical conductivity σ. (b) Power factor S2σ versus σ. (c) S/T vs σ curves. 

ESM8‐Frequency dependent thermocurrent measurements. 

It  is crucial  to understand whether  the main contribution  to  the measured electrical conductivity  in our system is due to a thermoelectric rather than a photovoltaic effect, since the excitation laser has energy far above  the  InSb  bandgap.  In  the  past  five  years,  there was  an  increasing  tendency  in  interpreting  the measured  illumination‐induced electrical current as a result of the photo‐thermoelectric effect, generated by  the  laser  induced  local heating. Observation  on VO2 NWs  [S7], MoS2 monolayers  [S8], single‐walled carbon nanotubes films [S9‐S10], and on the  junction between single and bi‐layer graphene [S11] suggest that  the conduction  in  these systems  is not dominated by built‐in  fields at  the Schottky barriers  (even  if they  are  present)  which  are  generally  ascribed  to  be  responsible  of  photocurrent  generation  at metal‐semiconductor interface [S12]. In our system, Schottky barriers do not play a role as well, since the I‐V  characteristic  curves  show ohmic behavior of  the metal‐semiconductor  contact  (see Figure S12). On 

Page 28: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

13

MoS2  film  qualitatively  similar  photoresponse  to  above  and  sub‐bandgap  illumination was measured, supporting the hypothesis of a photo‐thermoelectric current [S8]. 

 Figure S12 Example of typical I-V characteristic curves of two different InSb NWs indicated with different symbols. 

In order to investigate the nature of the observed photo‐induced current, we performed spatially resolved measurements  modulating  the  laser  frequency  with  a  mechanical  chopper.  The  measurements  were performed up to 6 kHz, with 500 nm step size. No significant changes are visible up to 3 kHz (see Figure S13  (a)). Between  3  kHz  and  6 kHz  (Figure  S13  (b)) we  observe  a  change  in  the  absolute value  of  the current depending on the position along the NW, i.e. the current is significantly reduced in the vicinity of the  contacts.  Laser  power  was  kept  fixed  at  113  μW.  Our  finding  is  in  agreement  with  frequency dependent  measurements  on  GaAs  NWs  reported  in  reference  [S13],  where  no  chopper  frequency dependence of the photocurrent was observed. In that case, the photocurrent was excited using excitation energy  above  bandgap  but  low  laser  power  density  and,  therefore,  no  significant  thermal  current  is expected. 

 

Figure S13 Photothermocurrent as a function of position along the InSb NW for chopper frequencies from 0 to 3 kHz (a) and for

selected frequencies (b) (NW D).

 

ESM9‐Photo‐and thermally driven electrical conductivity 

We can write the electrical conductivity in semiconductors as: 

Page 29: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

14

,e h e h e e h hn e n eσ σ σ μ μ= + = +         (S12)   

where ne(h) is the electrons (holes) concentration, μe(h) is the electrons (holes) mobility, and e is the electron charge. Generally, in semiconductors the mobility decreases with increasing temperature. In Figure 2(c) we show  that  electrical  conductance  increases with  temperature. An  increase  of  σ with  T means  that  the decrease in μ is compensated by an increase of the charge carriers that in our case is generated both from temperature and photo‐excitation of charges. In order to understand what is the dominant effect between temperature  and  photo‐excitation, we  estimated  the  density  of  charge  carriers  excited  by  the  incident photons (nph) and by temperature (ni(T)) in the simplest case of intrinsic InSb. In first approximation we can assume that each photon excites an electron‐hole pair, i.e. nph =(number of photons/s)xτ/V, where V is the volume  of  the  nanowire  illuminated  by  the  laser  excitation,  and  τ  is  the  relaxation  time  of  the  excited electrons, given by τ = μm*/e with m* electrons effective mass. The number of photons per second is given by the absorbed power in the system Pabs divided by the photon energy Eph, where Eph =hc/λ, with h Planck constant, c light speed, and λ incident wavelength. For λ = 676.4 nm we have Eph    =2.94 10‐19 J. Pabs is calculated with finite difference simulations, as described in ESM5. V can be approximated with a parallelepiped, which is given by the side of the hexagonal cross section of the nanowire  times  the  laser  penetration  depth  times  the  laser  FWHM. We  have  V~2.2x10‐15  cm3.  ni(T)  for intrinsic semiconductor is given by: 

3/2( ) exp( / 2 ),i e h C V g Bn T n n N N T E k T= = −    (S13) 

where  2( ) 2(2 * / )C V BN m k T hπ=   is the effective density of states in the conduction (valence) band and m* is 

the  effective  mass  of  the  conduction  (valence)  band  [S14].  Both  carriers  excited  by  photons  and  by temperature contribute to the electrical conductivity σtot(T): 

,( ) ( ) ( ) ( )( ( ) ( )) ( ) ( )tot ph e h ph e h e e h hT T T n T T T e n T e n T eσ σ σ μ μ μ μ= + = + + + ,    (S14) 

where σph(T) and σe,h(T) are the electrical conductivity generated by charge carriers excited by photons and temperature, respectively. In Figure S14 we show the calculated σtot(T), σph(T), and σe,h(T).

Figure S14 σtot(T) as a function on temperature T as calculated from Equation S(14) (blue line), together with the calculated σph(T),

(red line) and σe,h(T) (black line) using ni(T) from Equation (S13). For σph(T) we used nph =2.3x1016 electrons/cm3, estimated from

the calculation of Pabs for nanowire B measured with a laser power of 68 µW.

Page 30: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

15

The charge mobilities are taken from Reference [S15]: μe(T) = 7.7x104(T/300)‐5/3 cm2/Vs, and μh ~ 850(T/300)‐1.95 cm2/Vs. We used nph ~2.3x1016 electrons/cm3 calculated  for nanowire B measured with a  laser power of 68 μW. Since nph does not change with temperature, σph(T) decreases for  increasing T. On the contrary σe,h(T) increases with T. However, in the considered conditions σtot(T) is not monotonic as experimentally observed. This  means  that  either  nph  is  overestimated  (meaning  that  not  all  the  incident  photons  creates  an electron‐hole pair  that  is  separated by  the bias), or ni(T)  is underestimated. The overestimation of nph  is evident  from  the  large values of  the calculated σ. For  larger nph (i.e. at highest laser powers), the effect is more pronounced. The approximation we made  to  intrinsic bulk  InSb  is neglecting  the doping electrons, and  therefore  is  a  first  indication  that  ni(T)  is  underestimated.  In  conclusion,  if  σph(T)  is  dominant,  the increase of electrical conductivity under  laser  illumination we observe experimentally  is not reproduced. However, at high temperature the thermocurrent contribution is in any case bigger than the photocurrent one.  ESM10‐Laser induced Sb precipitation   

For GaAs NWs  it has been shown that  laser heating can  lead to  local structural modifications that affect irreversibly  the  thermal  properties  of  the NW  [S16]. Also  in  the  case  of  InSb NWs,  laser  heating  can produce Sb precipitation, as shown  in Figure S15 for an undoped  InSb NW, at a  laser power of 360 μW (corresponding  to  a power density of  ~65 kW/cm2). Together with  the  InSb TO peak  at  ~180  cm‐1,  two peaks due to the scattering from Sb at ~114 cm‐1 and ~150 cm‐1 are clearly distinguishable [S17]. This means that  the  laser  induces  important  effects  related  to  a  temperature  increase  and  can  strongly  affect  the nanostructure.  The  threshold  power  density  at  which  structural modifications  occur  depends  on  the properties  of  the  NW  (i.e.  thermal  conductivity)  and  sample  geometry.  Therefore,  for measurements involving  laser heating  it  is crucial to accurately choose the  laser power  in order to avoid any structural modification of the NWs.     

 Figure S15 Raman spectrum collected from the middle part of a suspended undoped InSb NW, in the same scattering

configuration as illustrated in Figure 1 in the manuscript. The laser power is 360 µW. The two peaks arising from Sb precipitation

are evident.

ESM11‐Electron mobility: field‐effect method vs Seebeck analysis 

Page 31: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

16

Figure S16(a) shows the source‐drain current as a function of the backgate voltage at  low temperature (bottom panel) and the related field‐effect mobility (top panel) calculated as:   

2

,e FEg DS g

L dIc V dV

μ = (S15)   

where  L  =  1.1  μm  is  the  distance  between  source  and  drain  electrodes  and  Cg  ≈  120  aF  is  the  gate capacitance calculated as Cg = 2πεSiO2L/arccosh[(dSiO2+r)/r] with r radius of the NW, εSiO2 = 3.4 (10‐11) F/m and dSiO2 = 285 nm dielectric constant and thickness of the SiO2 layer, respectively. Separate and independent determination of the electron mobility is achieved from the analysis of the S/T vs σ curves. With respect to the standard  field‐effect method based on  the assumption of a given value  for  the gate capacitance,  the Seebeck analysis is likely more reliable since it bypasses the screening effects associate to the NW surface potential  landscape.  Indeed,  it provides mobility values significantly higher  than  the  field‐effect method [S18]. Figure S16(b) reports the S/T vs σ curve measured at the same temperature of the curve reported in Figure S16(a) and the fitting curve calculated according to: 

1/32

2 2 2 *2/3 2/3

2

31 /

3 3F

B B

E

eS k k mT e E

π

π σ μ σσ

⎛ ⎞⎜ ⎟⎜ ⎟∂⎛ ⎞ ⎝ ⎠= − = −⎜ ⎟∂⎝ ⎠ h

(S16)

his  is derived assuming  the case of degenerate semiconductors  in  the  low  temperature  limit so  that  the 

conductivity  can  be  expressed  as 22 ( ) ( ) ( )

3 ee fE g E E dE n em E

σ τ μ μ∂⎡ ⎤= − ≈⎢ ⎥∂⎣ ⎦∫ ,  while  the  energy  is  E  = 

(h2/2m*)(3π2n)2/3 = (h2/2m*)(3π2σ/μe)2/3 and thus    σ(E) = μen(E) = (2m/h)3/2(μe/3π2)E3/2, using the value m*(InSb) = 0.014me. In particular, we notice that the approximations nicely apply to the data set measured at T ~ 100 K in the high band‐filling regime i.e. for large electrical conductivity. 

 

Figure S16 (a) drain-source current as a function of the backgate voltage at low temperature (bottom panel) and calculated field-effect mobility (top panel); the maximum of the curve corresponds to a mobility value of ≈ 2200 cm2/Vs. (b) S/T curve as a function of σ and related fit to Eq. (S16), providing an independent estimate of the electron mobility which is not affected by surface charge dynamics. The fitting parameter µe,S = 20000±3000 cm2/Vs is almost one order of magnitude higher with respect to its field-effect counterpart.

Page 32: Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb ... · Complete thermoelectric benchmarking of individual InSb nanowires by combined micro-Raman and electric transport analysis

Nano Res 

17

 

  References  [S1] Caroff, P.; Wagner, J. B.; Dick, K. A.; Nilsson, H. A.; Jeppsson, M.; Deppert, K.; Samuelson, L.; Wallenberg, L. R.;

Wernersson, L-E. High-Quality InAs/InSb Nanowire Heterostructures Grown by Metal–Organic Vapor-Phase Epitaxy. Small 2008, 4, 878.

[S2] Ercolani, D.; Rossi, F.; Li, A.; Roddaro, S.; Grillo, V.; Salviati, G.; Beltram, F.; Sorba, L. InAs/InSb nanowire heterostructures grown by chemical beam epitaxy. Nanotechnology 2009, 20, 505605.

[S3] Liu, J.; Wang, H.; Ma, W.; Zhang, X.; Song, Y. Simultaneous measurement of thermal conductivity and thermal contact resistance of individual carbon fibers using Raman spectroscopy. Rev. Sci. Instrum. 2013, 84, 044901.

[S4] Karg, S.; Mensch, P.; Gotsman, B.; Schmid, H.; Das Kanungo, P.; Ghoneim, H.; Schmidt, V.; Bjoerk, M. T.; Troncale, V.; Riel, H. Simultaneous Measurement of Thermoelectric Properties of Single Semiconductor Nanowires. J. Electron. Mater. 2013, 42, 2409.

[S5] Seol, J.H. Thermal and Thermoelectric Measurements of Silicon Nanoconstrictions, Supported Graphene, and Indium Antimonide Nanowire. Ph.D. Dissertation, University of Texas, TX, USA, 2009.

[S6] Ziman, J. M. Electrons and Phonons: the theory of transport phenomena in solids; Clarendon Press: 1967. [S7] Varghese, B.; Tamang, R.; Tok, E. S.; Mhaisalkar, S. G.; Sow, C. H. Photothermoelectric Effects in Localized Photocurrent of

Individual VO2 Nanowires. J. Phys. Chem. C 2012, 114, 15149. [S8] Buscema, M.; Barkelid, M.; Zwiller, V.; van der Zant, H. S. J.; Steele, G. A.; Castellanos-Gomez, A. Large and Tunable

Photothermoelectric Effect in Single-Layer MoS2. Nano Lett. 2013, 13, 358. [S9] St-Antoine, B. C.; Ménard, D.; Martel, R. Position Sensitive Photothermoelectric Effect in Suspended Single-Walled Carbon

Nanotube Films. Nano Lett. 2009, 9, 3503. [S10] St-Antoine, B. C.; Ménard, D.; Martel, R. Photothermoelectric effects in single-walled carbon nanotube films:

Reinterpreting scanning photocurrent experiments. Nano Res. 2012, 5, 73. [S11] Xu X.; Gabor M. N.; Alden J. S.; van der Zande, A. M.; McEuen, P. L. Photo-Thermoelectric Effect at a Graphene Interface

Junction. Nano Letters 2010, 10, 562-566. [S12] Gu. Y.; Kwak, E. –S.; Lensch, J. L.; Allen, J. E.; Odom, T. W.; Lauhon, L. J. Near-field scanning photocurrent microscopy

of a nanowire photodetector. Appl. Phys. Lett. 2005, 87, 043111. [S13] Thunich, S.; Prechtel, L.; Spirkoska, D.; Abstreiter, G.; Fontcuberta i Morral, A.; Holleitner, A. W. Photocurrent and

photoconductance properties of a GaAs nanowire. Appl. Phys. Lett. 2009, 95, 083111. [S14] Sze, S. M. Physics of Semiconductor Devices; Wiley-Blackwell, Hoboke: New Jersey, 2006. [S15] Berger, Lev I. Semiconductors Materials; CRC press, Inc., Boca Raton: Florida, 1997. [S16] Yazji, S.; Zardo, I.; Soini, M.; Postorino, P,; Fontcuberta i Morral, A.; Abstreiter, G. Local modification of GaAs nanowires

induced by laser heating. Nanotechnology 2011, 22, 325701. [S17] Liarokapis, E.; Anastassakis, E. Light scattering of InSb at high temperatures. Phys. Rev. B 1984, 30, 2270(R). [S18] Roddaro, S.; Ercolani, D.; Mian, A.; Suomalainen, S.; Rossella, F.; Giazotto, F.; Sorba, L.; Beltram, F. Giant Thermovoltage

in Single InAs Nanowire Field-Effect Transistors. Nano Lett. 2013, 13, 3638−3642.