Præcisionsvækst af lysemitterende nanotråde

En ny tilgang til dyrkning af nanotråde lover et nyt middel til kontrol over deres lysemitterende og elektroniske egenskaber. I et nyligt nummer af Nano bogstaver , videnskabsmænd fra det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) demonstrerede en ny vækstteknik, der bruger specielt konstruerede katalysatorer. Disse katalysatorer, som er forløbere for at dyrke nanotrådene, har givet forskerne flere muligheder end nogensinde for at ændre farven på lysemitterende nanotråde.

Den nye tilgang kan potentielt anvendes til en række forskellige materialer og bruges til fremstilling af næste generations enheder såsom solceller, lysdioder, højeffektelektronik og mere, siger Shaul Aloni, stabsforsker ved Berkeley Lab's Molecular Foundry, en DOE-brugerfacilitet, og hovedforfatter på undersøgelsen.

Siden begyndelsen af ​​2000'erne, forskere har gjort støt fremskridt med at dyrke nanotråde. I første omgang, tidlige nanotrådsprøver lignede "sammenfiltrede nudler eller skove, der er hærget af skovbrande, " ifølge forskerne. For nylig, Forskere har fundet ud af, at forskellige forhold fører til væksten af ​​mere velordnede nanotrådsarrays.

For eksempel, visse substrater, som nanotrådene vokser på, skaber betingelser, således at nanotrådens vækstorientering er dikteret af substratets underliggende krystalstruktur. Desværre, denne og andre tilgange har ikke været idiotsikker, og nogle nanotråde er stadig slyngelagtige.

I øvrigt, der er ingen enkel måde at dyrke forskellige typer nanotråde i det samme miljø og på det samme substrat. Dette ville være nyttigt, hvis du selektivt ville dyrke nanotråde med forskellige elektroniske eller optiske egenskaber i samme batch, for eksempel.

"Hos Molecular Foundry sigter vi mod at udvikle nye strategier og tilføje nye værktøjer til posen med tricks, der bruges til syntese af nanomaterialer, " siger Aloni. "I årevis søgte vi efter smartere måder at dyrke nanostrukturer med forskellige optiske egenskaber under identiske vækstbetingelser. Engineering katalysatoren bringer os tættere på at nå dette mål."

Forskerne fokuserede på nanotråde lavet af galliumnitrid. I sin bulk (ikke-nanoskala) form, galliumnitrid udsender lys i det blå eller ultraviolette område. Hvis der tilsættes indiumatomer, rækkevidden kan udvides til at omfatte rød, i det væsentlige gør det til en bredspektret afstembar lyskilde i det synlige område.

Problemet er, at tilsætning af indiumatomer sætter krystalstrukturen af ​​galliumnitrid under stress, hvilket fører til dårligt ydende enheder. Galliumnitrid nanotråde, imidlertid, ikke opleve den samme slags krystal belastning, så forskerne håber at kunne bruge dem som justerbare, bredspektrede lyskilder.

For at opnå deres kontrol, holdet fokuserede på katalysen, der styrer væksten af ​​nanotråden. Normalt, forskere bruger katalysatorer lavet af et enkelt metal. Berkeley-holdet besluttede at bruge metalliske blandinger af guld og nikkel, kaldet legeringer, som katalysatorer i stedet for.

I undersøgelsen, forskerne fandt, at gallium-nitrid nanotrådens vækstorientering var stærkt afhængig af den relative koncentration af nikkel og guld i katalysatoren. Ved at ændre koncentrationerne i legeringen, forskerne kunne præcist manipulere, selv på det samme underlag i samme batch, orienteringen af ​​nanotrådene.

"Ingen havde brugt bi-metaliske katalysatorer til at kontrollere vækstretningen før, " siger Tevye Kuykendall, videnskabsmand ved Berkeley Lab's Molecular Foundry. Kuykendall siger, at mekanismen, der driver den nye vækstproces, ikke er fuldt ud forstået, men det involverer guld og nikkels forskellige tendenser til at flugte med forskellige krystallografiske overflader på det punkt, hvor nanotråde begynder at vokse.

Forskerne viste også, at afhængigt af den valgte vækstretning, forskellige optiske egenskaber blev observeret takket være de krystaloverflader, der var eksponeret på overfladen af ​​nanotråden. "En af de ting, der gør nanostrukturer interessante, er, at overfladen spiller en større rolle i at definere materialets egenskaber, " siger Aloni. Dette fører til ændringer i optiske egenskaber, der ikke ses i materialer med større bulk, gør dem mere nyttige.

Aloni siger, at holdet næste gang vil fokusere mere på kemien af ​​de forskellige nanotrådsoverflader for yderligere at skræddersy nanotrådens optiske egenskaber.