At dyrke nanotråde horisontalt giver ny fordel:nano-LED'er

Mens de forfiner deres nye metode til fremstilling af nanoskala ledninger, kemikere ved National Institute of Standards and Technology opdagede en uventet bonus - en ny måde at skabe nanotråde, der producerer lys svarende til det fra lysdioder (LED'er). Disse "nano-LED'er" kan en dag få deres lys-emissionsevner sat til at fungere, når de betjener miniature-enheder såsom nanogeneratorer eller lab-on-a-chip-systemer.

Nanotråde "dyrkes" typisk af den kontrollerede aflejring af molekyler - zinkoxid, for eksempel - fra en gas til et basismateriale, en proces kaldet kemisk dampaflejring (CVD). De fleste CVD-teknikker danner nanotråde, der rejser sig lodret fra overfladen som børstehår. Fordi ledningen kun kommer i kontakt med substratet i den ene ende, det har en tendens til ikke at dele karakteristika med substratmaterialet - et mindre end foretrukket træk, fordi den nøjagtige sammensætning af nanotråden så vil være svær at definere. Lodret vækst producerer også en tæt skov af nanotråde, gør det vanskeligt at finde og omplacere individuelle ledninger af overlegen kvalitet.

For at afhjælpe disse mangler, NIST-kemikerne Babak Nikoobakht og Andrew Herzing udviklede en "overfladestyret" metode til at dyrke nanotråde horisontalt hen over substratet (se www.physorg.com/news112625999.html).

Ligesom mange vertikale vækst CVD-metoder, NIST-fremstillingsteknikken bruger guld som en katalysator for krystaldannelse. Forskellen er, at guldet aflejret i NIST-metoden opvarmes til 900 grader Celsius (1, 652 grader Fahrenheit), omdanne den til en nanopartikel, der tjener som vækststed og medium til krystallisation af zinkoxidmolekyler. Når zinkoxidnanokrystallen vokser, det skubber guldnanopartiklerne langs overfladen af ​​substratet (i dette eksperiment, galliumnitrid) for at danne en nanotråd, der vokser vandret hen over substratet og således udviser egenskaber stærkt påvirket af dets basismateriale.

I nyere værk udgivet i ACS Nano , Nikoobakht og Herzing øgede tykkelsen af ​​guldkatalysatornanopartiklen fra mindre end 8 nanometer til cirka 20 nanometer. Ændringen resulterede i nanotråde, der voksede til en sekundær struktur, en hajlignende "rygfinne" (benævnt en "nanovæg"), hvor zinkoxiddelen er elektronrig og galliumnitriddelen er elektronfattig. Grænsefladen mellem disse to materialer - kendt som en p-n heterojunction - gør det muligt for elektroner at strømme hen over det, når nanotråd-nanovæg-kombinationen blev ladet med elektricitet. På tur, bevægelsen af ​​elektroner producerede lys og fik forskerne til at kalde det en "nano LED."

I modsætning til tidligere teknikker til fremstilling af heterojunctions, NIST "overfladestyret" fremstillingsmetode gør det nemt at lokalisere individuelle heterojunctions på overfladen. Denne funktion er især nyttig, når et stort antal heterojunctions skal grupperes i et array, så de kan lades elektrisk som en lysemitterende enhed.

Transmissionselektronmikroskop (TEM) undersøgelse af zinkoxid-galliumnitrid nanotråde og nanovægge afslørede få strukturelle defekter i nanotrådene og meget tydelige p-n heterojunctions i nanovæggene, begge bekræftelser af effektiviteten af ​​NIST's "overfladestyrede" fremstillingsmetode.

Nikoobakht og Herzing håber at forbedre nano-LED'erne i fremtidige eksperimenter ved at bruge bedre geometri og materialedesign, og derefter anvende dem i udviklingen af ​​lyskilder og detektorer, der er nyttige i fotoniske enheder eller lab-on-a-chip platforme.