Giulia Di Iorio, Riccardo Rurali, Michele Amato, Claudia Fasolato, Laetitia Vincent, Doriane Djomani, Vincent Paillard, Charles Renard, Ilaria Zardo, Marta De Luca, Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N (UMR_9001)), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut d'électronique fondamentale (IEF), Nano-Optique et Nanomatériaux pour l'optique (CEMES-NeO), Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599), Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA), IEF, Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11), Théorie, Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB), Consejo Superior de Investigaciones Científicas [Madrid] (CSIC)-Consejo Superior de Investigaciones Científicas [Madrid] (CSIC), Hétérostructures pour Applications Optroniques (HAO), Alcatel-Thales III-V Lab-THALES Research & Technology, Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies [Orsay] (C2N), Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris-Saclay, Université Paris-Sud - Paris 11 (UP11)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-17-CE03-0001,DELTA,Les deltas sous l'impact du changement global(2017), Swiss National Science Foundation, Sapienza Università di Roma, Ministerio de Economía y Competitividad (España), Generalitat de Catalunya, Université Paris-Saclay, and Agence Nationale de la Recherche (France)
Semiconducting nanowires (NWs) offer the unprecedented opportunity to host different crystal phases in a nanostructure, which enables the formation of polytypic heterostructures where the material composition is unchanged. This characteristic boosts the potential of polytypic heterostructured NWs for optoelectronic and phononic applications. In this work, we investigate cubic Ge NWs where small (∼20 nm) hexagonal domains are formed due to a strain-induced phase transformation. By combining a nondestructive optical technique (Raman spectroscopy) with density-functional theory (DFT) calculations, we assess the phonon properties of hexagonal Ge, determine the crystal phase variations along the NW axis, and, quite remarkably, reconstruct the relative orientation of the two polytypes. Moreover, we provide information on the electronic band alignment of the heterostructure at points of the Brillouin zone different from the one (Γ) where the direct band gap recombination in hexagonal Ge takes place. We demonstrate the versatility of Raman spectroscopy and show that it can be used to determine the main crystalline, phononic, and electronic properties of the most challenging type of heterostructure (a polytypic, nanoscale heterostructure with constant material composition). The general procedure that we establish can be applied to several types of heterostructures., I.Z. acknowledges financial support from the Swiss National Science Foundation research grant (Project Grant No. 200021_165784). C.F. acknowledges financial support from Sapienza University scholarship “Borsa di Perfezionamento all’Estero 2017–2018”. R.R. acknowledges financial support by the Ministerio de Economia, Industria y Competitividad (MINECO) under grant FEDER-MAT2017-90024-P and the Severo Ochoa Centres of Excellence Program under Grant SEV-2015-0496 and by the Generalitat de Catalunya under grants no. 2017 SGR 1506. L.V. acknowledges financial support from the IDEX Paris-Saclay (ANR-11-IDEX-0003-02). This work was partly supported by the ANR HEXSIGE project (ANR-17-CE030-0014-01) of the French Agence Nationale de la Recherche. R.R. and M.A. thank Giacomo Giorgi and Thanayut Kaewmaraya for useful discussions.