De fedeste halvleder nanotråde

(PhysOrg.com) -- Halvleder nanotråde er essentielle materialer i udviklingen af ​​billigere og mere effektive solceller, samt batterier med højere lagerkapacitet. I øvrigt, de er vigtige byggesten inden for nanoelektronik. Imidlertid, fremstilling af halvleder nanotråde i industriel skala er meget dyrt. Hovedårsagen til dette er de høje temperaturer, som de produceres ved (600-900 C), samt brugen af ​​dyre katalysatorer, såsom guld. Forskere ved Max Planck Instituttet for Intelligente Systemer i Stuttgart, tidligere Max Planck Institute for Metals Research, har nu været i stand til at producere krystallinske halvleder nanotråde ved en meget lavere temperatur (150 C), mens de bruger billige katalysatorer, såsom aluminium. På denne måde nanostrukturerede halvledere kan endda aflejres direkte på varmefølsomme plastikunderlag.

Nanotråde lavet af halvledere som silicium (Si) eller germanium (Ge) vil være uundværlige til mange tekniske anvendelser i fremtiden. Indtil nu, de er blevet fremstillet ved hjælp af en proces, der først blev beskrevet i 1964. Den såkaldte vapour-liquid-solid (VLS) mekanisme udnytter bittesmå partikler af metalkatalysatorer som frø til væksten af ​​nanotrådene. Metalfrøene aflejres på et fast underlag, smeltet og udsat for en gasatmosfære indeholdende silicium eller germanium. Metaldråberne vil så optage halvlederatomer fra gassen, indtil de er overmættede, og det overskydende halvledermateriale udfælder ved grænsen til substratet:en nanotråd vokser. I de fleste tilfælde, guld bruges som katalysator, da det kan opløse meget silicium eller germanium, når det er smeltet. Brugen af ​​denne dyre katalysator og den høje forarbejdningstemperatur på 600 til 900 ºCelsius bly, imidlertid, til høje produktionsomkostninger.

Materialeforskere fra Eric Mittemeijers afdeling ved Max Planck Instituttet for Intelligente Systemer har nu opdaget en metode til at fremstille halvledernanotråde ved en markant lavere temperatur på kun 150 C, mens du bruger billige katalysatorer som aluminium. Sammen med kolleger fra Stuttgart Center for Elektronmikroskopi, en forskningsfacilitet ved samme institut, det er lykkedes forskerne at observere nanotrådvækst på atomare skala i realtid.

Til denne ende, forskerne forberedte et dobbeltlag af krystallinsk aluminium og amorft silicium. Laget blev fremstillet i vakuum og ved stuetemperatur under anvendelse af termisk fordampning. Hvorimod atomerne er uordnede i den amorfe siliciumfase, de er arrangeret i et ordnet krystallinsk gitter i aluminiumslaget. Faktisk, Al-laget består af milliarder af små aluminiumskrystaller, hver af dem er så små som omkring 50 nanometer. Krystalkornene er i tæt kontakt med hinanden. Deres grænser danner således et todimensionelt korngrænsenetværk i aluminiumlaget.

Ved hjælp af analytisk transmissionselektronmikroskopi, forskerne var i stand til direkte at observere, at siliciumatomer begynder at strømme fra siliciumlaget ind i aluminiumskatalysatoren ved en temperatur så lav som 120 °Celsius. Ved så lave temperaturer, aluminiumskatalysatoren er fast og kan ikke opløse nogen siliciumatomer. Mikroskopiske undersøgelser afslører, at siliciumatomerne i stedet er optaget ved grænserne mellem aluminiumskrystallerne. Efterhånden som flere og flere siliciumatomer samles ved aluminiumskorngrænserne, de er omstruktureret til små krystallinske nanotråde, da dette reducerer den samlede energi i systemet. Dette producerer et netværk af krystallinske nanotråde, hvis mønster er præcist bestemt af korngrænsenetværket af aluminium. Der kan således fremstilles tråde helt ned til 15 nanometer.

Det er klart, at vækstmekanismen for nanotråde opdaget af materialeforskerne i Stuttgart er fundamentalt forskellig fra den konventionelle VLS-vækstmekanisme. Mest slående, den nye vækstmetode kræver ikke halvlederopløselighed i metalkatalysatoren og kan derfor realiseres ved lave temperaturer (150 °Celsius), mens du bruger billige katalysatorer som aluminium.

De største fordele ved den nye metode er derfor, at den ikke kræver høje substrattemperaturer eller dyre katalysatorer. Ud over, materialeforskere kan skræddersy størrelsen af ​​aluminiumskornene og dermed formen på aluminiums korngrænsenetværket, at producere det ønskede mønster af silicium nanotråde. Al-katalysatoren kan nemt fjernes ved selektiv ætsning. Da aluminiumsfilm er blevet brugt i mikroelektronik i årtier, deres produktion og forarbejdning er bredt etableret. Andre katalysatorer kan også være egnede til fremgangsmåden. En anden fordel er, at nanostrukturerede siliciumenheder kan dyrkes direkte på de fleste plastiksubstrater, også selvom de er varmefølsomme.