Omdannelse af nanotråde til nanoværktøjer ved hjælp af kationbytterreaktioner

Et team af ingeniører fra University of Pennsylvania har transformeret simple nanotråde til rekonfigurerbare materialer og kredsløb, demonstrerer en roman, selvsamlende metode til kemisk at skabe nanoskala strukturer, som ikke er mulige at dyrke eller opnå på anden måde.

Forskerholdet, kun bruger kemiske reaktanter, omdannet halvledende nanotråde til en række nyttige, materialer i nanoskala, herunder metalstrimler i nanoskala med periodiske striber og halvledende mønstre, rent metalliske nanotråde, radiale heterostrukturer og hule halvledende nanorør foruden andre morfologier og sammensætninger.

Forskere brugte ionbytning, en af ​​de to mest almindelige teknikker til fastfase transformation af nanostrukturer. Ion (kation/anion) udvekslingsreaktioner udveksler positive eller negative ioner og er blevet brugt til at modificere den kemiske sammensætning af uorganiske nanokrystaller, samt skabe halvledersupergitterstrukturer. Det er den kemiske proces, for eksempel, der gør hårdt vand blødt i mange amerikanske husholdninger.

Fremtidige anvendelser af nanomaterialer i elektronik, katalyse, fotonik og bionanoteknologi driver udforskningen af ​​syntetiske tilgange til at kontrollere og manipulere den kemiske sammensætning, struktur og morfologi af disse materialer. For at realisere deres fulde potentiale, det er ønskeligt at udvikle teknikker, der kan transformere nanotråde til afstembare, men præcist kontrollerede morfologier, især i gasfasen, for at være kompatibel med nanotrådsvækstordninger. Forsamlingen, imidlertid, er en dyr og arbejdskrævende proces, der forbyder omkostningseffektiv produktion af disse materialer.

Nyere forskning på området har muliggjort transformation af nanomaterialer via fastfase kemiske reaktioner til uligevægt, eller funktionelle strukturer, der ikke kan opnås på anden vis.

I dette studie, forskere transformerede enkeltkrystallinske cadmiumsulfid nanotråde til sammensætningskontrollerede nanotråde, kerne-skal heterostrukturer, metal-halvleder supergitter, enkeltkrystallinske nanorør og metalliske nanotråde ved at bruge størrelsesafhængige kationbytterreaktioner sammen med temperatur- og gasfasereaktantleveringskontrol. Denne alsidige, syntetisk evne til at transformere nanotråde giver nye muligheder for at studere størrelsesafhængige fænomener på nanoskala og tune deres kemiske/fysiske egenskaber til at designe rekonfigurerbare kredsløb.

Forskere fandt også ud af, at hastigheden af ​​kationbytningsprocessen blev bestemt af størrelsen af ​​startnanowiren, og at procestemperaturen påvirkede slutproduktet, tilføjelse af ny information til de forhold, der påvirker reaktionshastigheder og samling.

"Dette er næsten som magi, at en enkelt-komponent halvleder nanostruktur bliver omdannet til metal-halvleder binært supergitter, et helt hult, men enkeltkrystallinsk nanorør og endda et rent metallisk materiale, " sagde Ritesh Agarwal, adjunkt ved Institut for Materialevidenskab og Teknik ved Penn. "Det vigtige her er, at disse transformationer ikke kan finde sted i bulkmaterialer, hvor reaktionshastighederne er utroligt langsomme eller i meget små nanokrystaller, hvor hastighederne er for høje til at kunne kontrolleres præcist. Disse unikke transformationer finder sted ved 5-200 nanometers længde skalaer, hvor hastighederne kan styres meget præcist for at muliggøre sådanne spændende produkter. Nu arbejder vi sammen med teoretikere og designer nye eksperimenter for at optrevle denne 'magi' på nanoskala."

Den grundlæggende åbenbaring i denne undersøgelse er en yderligere afklaring af kemiske fænomener på nanoskala. Undersøgelsen giver også nye data om, hvordan producenter kan samle disse små kredsløb, elektrisk forbinder strukturer i nanoskala gennem kemisk selvsamling.

Det åbner også for nye muligheder for transformation af materialer i nanoskala til fremtidens værktøjer og kredsløb, for eksempel, selvsamlende nanoskala elektriske kontakter til individuelle nanoskala komponenter, mindre elektroniske og fotoniske enheder såsom en række elektrisk forbundne kvanteprikker til LED'er eller transistorer, samt forbedret opbevaringskapacitet til batterier.

Mere information: Undersøgelsen er blevet offentliggjort i det aktuelle nummer af tidsskriftet Nano bogstaver .

Kilde:University of Pennsylvania (nyheder:web)