Et nyt twist på nanotråde

Nanotråde - mikroskopiske fibre, der kan “dyrkes” i laboratoriet - er et varmt forskningstema i dag, med en række forskellige anvendelsesmuligheder, herunder lysdioder (lysdioder) og sensorer. Nu, et team af MIT -forskere har fundet en måde at præcist kontrollere bredden og sammensætningen af ​​disse små tråde, når de vokser, gør det muligt at dyrke komplekse strukturer, der er optimalt designet til bestemte applikationer.

Resultaterne er beskrevet i en ny artikel skrevet af MIT -assisterende professor i materialevidenskab og teknik Silvija Gradečak og hendes team, offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver .

Nanotråde har været af stor interesse, fordi strukturer med så små dimensioner - typisk kun få titalls nanometer, eller milliarder af en meter, i diameter - kan have meget forskellige egenskaber, end de samme materialer har i deres større form. Det er til dels fordi på så små skalaer, kvanteindeslutningseffekter - baseret på elektroners og fonons adfærd i materialet - begynder at spille en væsentlig rolle i materialets adfærd, som kan påvirke, hvordan det leder elektricitet og varme eller interagerer med lys.

Ud over, fordi nanotråde har en særlig stor overflade i forhold til deres volumen, de er særligt velegnede til brug som sensorer, Gradečak siger.

Hendes team var i stand til at kontrollere og variere både størrelsen og sammensætningen af ​​individuelle ledninger, efterhånden som de voksede. Nanotråde dyrkes ved hjælp af "frø" partikler, metal nanopartikler, der bestemmer nanotrådens størrelse og sammensætning. Ved at justere mængden af ​​gasser, der bruges til dyrkning af nanotråde, Gradečak og hendes team var i stand til at kontrollere størrelsen og sammensætningen af ​​frøpartiklerne og derfor, nanotrådene, efterhånden som de voksede. "Vi er i stand til at kontrollere begge disse ejendomme samtidigt, " hun siger. Mens forskerne udførte deres nanotråd-vækstforsøg med indiumnitrid og indiumgalliumnitrid, de siger, at den samme teknik kan anvendes på en række forskellige materialer.

Disse nanotråde er alt for små til at se med det blotte øje, men teamet var i stand til at observere dem ved hjælp af elektronmikroskopi, foretage justeringer af vækstprocessen baseret på, hvad de lærte om vækstmønstrene. Ved hjælp af en proces kaldet elektrontomografi, de var i stand til at rekonstruere den tredimensionelle form af individuelle nanoskala ledninger. I en beslægtet undersøgelse, der for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Nanoskala , teamet brugte også en unik elektronmikroskopiteknik kaldet katodoluminescens til at observere, hvilke lysbølgelængder der udsendes fra forskellige områder af individuelle nanotråde.

Netop strukturerede nanotråde kunne lette en ny generation af halvlederanordninger, Gradečak siger. Sådan styring af nanotrådsgeometri og sammensætning kan muliggøre enheder med bedre funktionalitet end konventionelle tyndfilmsenheder fremstillet af de samme materialer, hun siger.

En sandsynlig anvendelse af de materialer, der er udviklet af Gradečak og hendes team, er i LED -pærer, som har langt større holdbarhed og er mere energieffektive end andre belysningsalternativer. De vigtigste lysfarver at producere fra LED'er er i det blå og ultraviolette område; zinkoxid og galliumnitrid nanotråde produceret af MIT -gruppen kan potentielt producere disse farver meget effektivt og til lave omkostninger, hun siger.

Mens LED -pærer er tilgængelige i dag, de er relativt dyre. “Til daglig brug, de høje omkostninger er en barriere, ”Gradečak siger. En stor fordel ved denne nye tilgang er, at den kunne muliggøre brug af meget billigere substratmaterialer - en stor del af omkostningerne ved sådanne enheder, som i dag typisk anvender safir- eller siliciumcarbidsubstrater. Nanotrådeenhederne har også potentiale til at være mere effektive, hun siger.

Sådanne nanotråde kan også finde applikationer i solenergisamlere til billigere solpaneler. At kunne styre formen og sammensætningen af ​​ledningerne, når de vokser, kunne gøre det muligt at producere meget effektive samlere:De enkelte ledninger danner fejlfrie enkeltkrystaller, reducere den tabte energi på grund af fejl i strukturen af ​​konventionelle solceller. Og ved at kontrollere de nanotrådes nøjagtige dimensioner, det er muligt at kontrollere, hvilke lysbølgelængder de er "afstemt" til, enten til fremstilling af lys i en LED eller til opsamling af lys i et solpanel.

Komplekse strukturer lavet af nanotråde med forskellige diametre kan også være nyttige i nye termoelektriske enheder til at fange spildvarme og gøre det til nyttig elektrisk strøm. Ved at variere sammensætningen og diameteren af ​​ledningerne langs deres længde, det er muligt at producere ledninger, der leder elektricitet godt, men opvarmer dårligt - en kombination, der er svær at opnå i de fleste materialer, men er nøglen til effektive termoelektriske genereringssystemer.

Nanotråde kan fremstilles ved hjælp af værktøjer, der allerede er i brug af halvlederindustrien, så enhederne skal være relativt lette at geare til masseproduktion, siger teamet.

Zhong Lin Wang, regenternes professor og Hightower -formand i materialevidenskab og teknik ved Georgia Institute of Technology, siger, at det at være i stand til at kontrollere strukturen og sammensætningen af ​​nanotråde er "afgørende for at kontrollere deres nanoskalaegenskaber. Finjusteringen i vækstadfærden ”af disse materialer” åbner muligheden for at fremstille nye optoelektroniske enheder, der sandsynligvis vil have en overlegen ydeevne. ”

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.