Nanotråde til fremtidens elektronik og optoelektronik

Organiske halvledere er meget lovende kandidater som udgangsmaterialer til fremstilling af billige, stort område og fleksible elektroniske komponenter såsom transistorer, dioder og sensorer på en skala fra mikro til nano. En betingelse for succes med at nå dette mål er evnen til at forbinde komponenter sammen med elektrisk ledende links - med andre ord, at oprette et elektronisk kredsløb. Europæiske forskere har udviklet en ny metode, der giver dem mulighed for at oprette enkle netværk af organiske nanotråde.

Da den spanske fysiker Angel Barranco vendte tilbage til Valencia efter en treårig forskningsperiode på Empa, han startede EU -projektet PHODYE med, blandt andre, hans gamle Empa -kolleger. Målet er at udvikle meget følsomme gassensorer, til overvågning af vejkøretøjsemissioner for eksempel, eller for at give laboratoriepersonale og minearbejdere en tidlig advarsel om tilstedeværelsen af ​​giftige stoffer. Sensorerne er baseret på fluorescerende tynde film, der ændrer farve og fluorescerer ved kontakt med visse gasmolekyler.

"Vi tænkte i form af en slags elektronisk nøgle til sikkerhedsprogrammer, som kun ville reagere på visse optiske forhold, "forklarer Empa -fysikeren Pierangelo Groening. Nødvendige til dette er gennemsigtige, stærkt fluorescerende tynde film, så Groening og Barranco udviklede en plasmaaflejringsproces for at lagre fluorescerende farvestofmolekyler, såsom metallo-proyphiner, perylener og phthalocyaniner umodificerede og ved høje koncentrationer i SiO ₂ eller TiO ₂ lag.

Det blev hurtigt klart, at hvis visse gasmolekyler deponeres på farvestofpartikler i de tynde film, derefter fluorescerede disse ved forskellige bølgelængder, og den tynde film ændrede farve som følge heraf. Hvis der anvendes forskellige farvestoffer, kan de gasser, der er giftige for mennesker, påvises ved meget lave koncentrationer.

Imidlertid, for mange sensorapplikationer er det vigtigt, at svartiden er så kort som muligt, noget, der næsten ikke er muligt med kompakte plasmafarvestoflag. Det er, på den anden side, mulig med lag, der har en meget porøs struktur, ligner lur på et nanometer-tæppe. Forskere håber at få yderligere fordele ved sådanne lag, fordi de øger det område, som gasmolekylerne, der skal detekteres, kan adsorbere på, og også forkorte diffusionsafstandene, giver sensoren mulighed for at reagere hurtigere. Fysikeren Ana Borras udviklede derefter en ny vakuumaflejringsproces til syntetisering af organiske nanotråde.

I mellemtiden gjorde Empa -forskerne fremskridt, lære at fremstille nanotråde med meget vidt forskellige egenskaber ved passende valg af startmolekylet og de eksperimentelle betingelser. Nanotråde af metallo-phthalocyaninmolekyler har diametre på kun 10 til 50 nanometer og en længde på op til 100 mikron. Det usædvanlige og uventede ved den nye metode er, at ved nøjagtigt at kontrollere substrattemperaturen, molekylstrøm og substratbehandling, de organiske nanotråde udvikler en tidligere uopnået, perfekt monokrystallinsk struktur.

Umiddelbart efter at de første undersøgelser blev foretaget med elektronmikroskop var det klart for Groening, at den nye proces ikke kun kunne levere nanotråde til gassensorerne, men også gøre det muligt at oprette komplekse "nanotråd elektriske kredsløb" til elektroniske og optoelektroniske applikationer som f.eks. celler, transistorer og dioder. Dette skyldes, at de forskellige typer nanotråde kan kombineres efter behov for at danne netværk med vidt forskellige egenskaber, som Groening og kolleger rapporterer i det videnskabelige tidsskrift Avancerede materialer .

Tricket til at opnå dette ligger i et andet trin, hvor de nanotråde, der vokser på overfladen, er "dekoreret" med sølv-nanopartikler ved en sputter-coating-proces. Et mål, i dette tilfælde et stykke massivt sølv, bliver bombarderet med energiske ioner, banker sølvatomer af, som kommer ind i gasfasen og aflejres på nanotråde. I et sidste trin, Empa -teamet vokser nu flere nanotråde, som, takket være sølvpartiklerne, er i elektrisk kontakt med de originale ledninger - grundlaget for et elektrisk kredsløb på nanometerskalaen.

De første målinger af elektrisk ledningsevne, lavet ved hjælp af et firespids-scanningstunnelmikroskop i ultrahøjt vakuum, oversteg de mest optimistiske forventninger - materialet er af en usædvanlig høj kvalitet. "Dette åbner muligheden for snart at kunne fremstille organiske halvledermaterialer, "siger Groening selvsikkert." Og det, også, ved hjælp af en enkel og økonomisk proces. "I mellemtiden har forskerne med succes syntetiseret stadig mere komplekse strukturer af nanotråde, og formåede at koble disse sammen ved hjælp af en god portion dygtighed og en sikker berøring.

Tage, for eksempel, nanotråde bestående af sektioner lavet med forskellige startmolekyler. Hvis disse molekyler enten kun kan transportere positive eller kun negative ladninger, derefter oprettes en diode, som tillader strøm at strømme i en retning alene. Groening spekulerer i, at det er ganske muligt, at der en dag vil blive lavet komponenter til nanolektronik og nanofotonik ved hjælp af denne teknik.