Videnskaben om skulptur, nano-stil

(Phys.org) — Det næste gennembrud inden for højeffektive batteriteknologier og solceller kan meget vel være nanoskopiske krystaller af silicium samlet som skyskrabere på wafer-skala substrater. En vigtig rute for vækst af disse nanoskala "whiskers" - eller nanotråde - involverer legerede metaldråber.

Moneesh Upmanyu, lektor ved Institut for Maskin- og Industriteknik, har brugt beregningsværktøjer til at forstå interaktionerne på atomare skala mellem disse dråber og væksten af ​​nanotråde.

"Dråben er i stand til at multitaske på flere niveauer, og det er skønheden ved denne vækstteknik, " sagde Upmanyu. "Det katalyserer og absorberer derefter de voksende arter fra den omgivende damp, bliver mættet, og styrer til sidst kernedannelsen af ​​den voksende nanotråd, ikke ulig en jet, der efterlader en krystallinsk nanotråd i sit kølvand."

Teknikken blev udviklet for årtier siden til dyrkning af silicium "whiskers", der brugte en dråbe flydende metal til at narre fordampede siliciumpartikler til at størkne som whiskers. Den syntetiske rute er nu meget brugt til at dyrke nanotråde til en række teknologisk vigtige materialer.

"Dråben giver i sidste ende absolut kontrol over vækstformen, men ingen vidste nøjagtigt, hvordan den former nanotrådene i bestemte former og størrelser, " sagde Hailong Wang, en tidligere post-doc-studerende i Upmanyus gruppe og den første forfatter på et nyligt offentliggjort papir om denne forskning i tidsskriftet Naturkommunikation . Undersøgelsen blev udført i samarbejde med forskere ved Lawrence Livermore National Laboratory og Colorado School of Mines.

"Der var ingen forståelse på atomare skala, mest antagelser, " tilføjede Upmanyu." Det er afgørende at afmaskere dem, da det giver os mulighed for at kontrollere vækstformen og, som det er tilfældet i disse små skalaer, form dikterer uvægerligt funktion.

Forskerne opdagede, at dråben ikke ensartet vikles rundt om nanotråden. Hellere, det lokker den voksende ende af nanotråden til at facettere i ujævnt skrå kanter. "Denne samling af afkortede kanter tjener det samme formål som de arkimedeiske spiraler, der letter væksten af ​​makroskalakrystaller, og det er en vigtig del af puslespillet for storstilet vækst af disse krystaller med foreskrevet form, " sagde Upmanyu. Mens dråben samler de fordampede partikler i sin flydende tilstand, de begynder at mætte systemet og bundfældes ud for at danne den massive tråd. Nedbøren er meget hurtigere på de skrå kanter, som i sidste ende fører til lag-for-lag vækst af nanotråden.

Med denne nye forståelse, forskere kan begynde at udvikle meget specifikke krystallinske strukturer – lige fra effektive solpaneler til LED-belysning – til relativt billige priser. Upmanyu er allerede begyndt at samarbejde med andre forskere ved Northeastern, fra fysikere til biologer, at "skulpturere" nanotråde med særlige egenskaber.

"En grundlæggende forståelse af nanokrystalvækst er fortsat en udfordring, da nøgleprocesserne kræver en tværfaglig indsats, " sagde Upmanyu. "Udover banebrydende beregningsværktøjer og algoritmer, det involverer elementer af vækstkemi, legeringsmetallurgi, og overfladevidenskab."