Hybride nanostrukturer:Kom til kernen

Materialeforskere forventer, at de nye multifunktionelle egenskaber ved hybride nanostrukturer vil transformere udviklingen af ​​højtydende enheder, inklusive batterier, højfølsomme sensorer og solceller. Disse selvsamlende nanostrukturer genereres typisk ved at afsætte ultrasmå genstande med forskellige egenskaber på overfladerne af små halvledende ledninger. Imidlertid, de faktorer, der styrer deres dannelse, forbliver uhåndgribelige, gør disse strukturer svære at kontrollere og designe.

For at udfylde dette hul, Bharathi Srinivasan og kolleger fra A*STAR Institute of High Performance Computing har udviklet en beregningsmetode, der kaster lys over selvsamlingen af ​​disse nanostrukturer på flersidet, eller polygonal, nanotråde. De identificerede først, hvordan forskellige nanostrukturmønstre vokser på nanotråde ved at udføre energiberegninger i en teoretisk analyse, før de analyserede disse mønstre ved at udføre numeriske simuleringer.

Srinivasans team designede to- og tredimensionelle (2D og 3D) modeller af nanotråde med en firkant, sekskantet eller ottekantet kerne omgivet af forskellige skalkonfigurationer. Analyse af energiprofilerne for disse konfigurationer viste, at forskerne kunne kontrollere skalmorfologien ved at ændre kernestørrelsen. Den teoretiske analyse afslørede også overgangene mellem disse forskellige konfigurationer - en værdifuld indsigt i selvsamlingsmekanismen.

For den numeriske simulering, forskerne konstruerede en 'fasefelt'-model, som matematisk definerede skalmaterialets faseovergange. Dette gjorde det muligt for dem at simulere selvsamlingsprocessen af ​​nanostrukturerne på nanotrådene efter at have afsat 'frøet' i form af 'kvanteprikker', som er miniature halvledere. De anvendte ligninger i simuleringen beskriver både termodynamikken og kinetikken ved selvsamling, Srinivasan noter.

Både 2D- og 3D-simuleringerne viste, at de aflejrede skaller gennemgik morfologiske transformationer, der afspejlede energiberegningerne. I det indledende aflejringsstadium - det laveste størrelsesområde - bestod skallerne af perfekte cylindre i 2D-modellen, og de dannede ultrasmå ringe, eller 'nanoreringer', stablet langs den lodrette retning af nanotråden, i 3D-modellen.

Efterhånden som kernen udvidedes, 2D-modellerne indikerede, at skallerne kunne bryde ind i mindre ledninger. For de mellemstore kerner, hver ledning sad på siderne af kernen. For de største kerner, de sad på hjørnerne. I 3D-simuleringerne, nanoreringerne blev opdelt i kvanteprikker, der materialiserede sig i søjler på nanotrådsfacetterne og migrerede mod højderyggene ved yderligere vækst (se billede). Simuleringer af varmebehandling gav de samme konfigurationer som dem under vækst.

"Vores fremtidige arbejde [vil være] at forstå væksten af ​​forskellige hybride nanostrukturer, inklusive kvanteprikker på skaller, nanoreringer og andre kvanteprikker, " siger Srinivasan.