Nanotråde dyrket på grafen har overraskende struktur

(Phys.org) – Da et team af ingeniører fra University of Illinois satte sig for at dyrke nanotråde af en sammensat halvleder oven på et ark grafen, de forventede ikke at opdage et nyt epitaksiparadigme.

De selvsamlede ledninger har en kerne af en sammensætning og et ydre lag af en anden, en ønsket egenskab for mange avancerede elektronikapplikationer. Ledet af professor Xiuling Li, i samarbejde med professorerne Eric Pop og Joseph Lyding, alle professorer i elektro- og computerteknik, holdet offentliggjorde sine resultater i tidsskriftet Nano bogstaver .

Nanotråde, små strenge af halvledermateriale, har et stort potentiale for anvendelser i transistorer, solceller, lasere, sensorer og mere.

"Nanowires er virkelig de vigtigste byggesten i fremtidige nano-enheder, " sagde postdoc-forsker Parsian Mohseni, første forfatter til undersøgelsen. "Nanowires er komponenter, der kan bruges, baseret på hvilket materiale du dyrker dem ud af, til enhver funktionel elektronikapplikation."

Li's gruppe bruger en metode kaldet van der Waals epitaksi til at dyrke nanotråde fra bunden og op på et fladt substrat af halvledermaterialer, såsom silicium. Nanotrådene er lavet af en klasse af materialer kaldet III-V (tre-fem), sammensatte halvledere, der er særligt lovende til applikationer, der involverer lys, såsom solceller eller lasere.

Gruppen har tidligere rapporteret at dyrke III-V nanotråde på silicium. Mens silicium er det mest udbredte materiale i enheder, den har en række mangler. Nu, gruppen har dyrket nanotråde af materialet indium gallium arsenid (InGaAs) på et ark grafen, en 1-atom-tyk plade af kulstof med exceptionelle fysiske og ledende egenskaber.

Takket være dens tyndhed, grafen er fleksibelt, mens silicium er stift og skørt. Det leder også som et metal, giver mulighed for direkte elektrisk kontakt til nanotrådene. Desuden, det er billigt, afskallet fra en blok af grafit eller dyrket af kulstofgasser.

"En af grundene til, at vi ønsker at dyrke grafen, er for at holde os væk fra tykke og dyre substrater, " sagde Mohseni. "Omkring 80 procent af produktionsomkostningerne for en konventionel solcelle kommer fra selve substratet. Det har vi gjort op med ved blot at bruge grafen. Ikke kun er der iboende omkostningsfordele, vi introducerer også funktionalitet, som et typisk substrat ikke har."

Forskerne pumper gasser indeholdende gallium, indium og arsen ind i et kammer med en grafenplade. Nanotrådene samler sig selv, vokser af sig selv til et tæt tæppe af lodrette ledninger hen over overfladen af ​​grafen. Andre grupper har dyrket nanotråde på grafen med sammensatte halvledere, der kun har to elementer, men ved at bruge tre elementer, Illinois-gruppen gjorde et unikt fund:InGaAs-trådene dyrket på grafen adskiller sig spontant i en indiumarsenid (InAs) kerne med en InGaAs-skal rundt om ydersiden af ​​ledningen.

"Dette er uventet, " sagde Li. "Mange enheder kræver en kerne-shell-arkitektur. Normalt dyrker man kernen i én vækstbetingelse og ændrer betingelser for at dyrke skallen på ydersiden. Dette er spontant, gjort i ét trin. Den anden gode ting er, at da det er en spontan adskillelse, det producerer en perfekt grænseflade."

Så hvad forårsager denne spontane kerne-skal struktur? Ved et tilfælde, afstanden mellem atomer i en krystal af InAs er næsten den samme som afstanden mellem hele antal kulstofatomer i et ark grafen. Så, når gasserne ledes ind i kammeret og materialet begynder at krystallisere, Når sætter sig på plads på grafen, en næsten perfekt pasform, mens galliumforbindelsen sætter sig på ydersiden af ​​ledningerne. Dette var uventet, fordi normalt, med van der Waals epitaksi, de respektive krystalstrukturer af materialet og substratet formodes ikke at have betydning.

"Vi havde ikke forventet det, men når vi så det, det gav mening, " sagde Mohseni.

Ud over, ved at indstille forholdet mellem gallium og indium i halvledercocktailen, forskerne kan tune de optiske og ledende egenskaber af nanotrådene.

Næste, Lis gruppe planlægger at lave solceller og andre optoelektroniske enheder med deres grafen-dyrkede nanotråde. Takket være både ledningernes ternære sammensætning og grafens fleksibilitet og ledningsevne, Li håber at kunne integrere ledningerne i et bredt spektrum af applikationer.

"Vi opdagede dybest set et nyt fænomen, der bekræfter, at registeret tæller i van der Waals epitaksi, " sagde Li.