Forskere udvikler metode, der skaber nanotråde med nye nyttige egenskaber

Harvard-forskere har udviklet en første af sin slags metode til at oprette en klasse nanotråde, der en dag kunne have applikationer inden for områder lige fra forbrugerelektronik til solpaneler.

Teknikken, udviklet af Bobby Day og Max Mankin, kandidatstuderende, der arbejder i laboratoriet af Charles Lieber, Mark Hyman Jr. professor i kemi, drager fordel af to længe kendte principper. Den ene er Plateau-Rayleigh ustabilitet, et aspekt af væskedynamikken, der beskriver, hvorfor en tynd vandstrøm bryder op i mindre dråber. Den anden involverer krystalvækst. Teknikken er beskrevet i et papir, der for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Naturnanoteknologi .

"Dette er virkelig en grundlæggende opdagelse, "Dag sagde." Vi er stadig i de tidlige stadier, men vi synes, der er meget plads til opdagelse, både de grundlæggende egenskaber ved disse strukturer såvel som applikationer. "

Først beskrevet i 1870, Plateau-Rayleigh ustabilitet er normalt forbundet med væsker, men forskere har i årevis genkendt et lignende fænomen i nanotråde. Ved opvarmning til ekstreme temperaturer, trådene omdannes fra faste til en række små dråber med mellemrum.

For at oprette den nye type tråd, Day og Mankin opvarmede traditionelt dyrkede nanotråde til lige under dette transformationspunkt i et vakuumkammer, derefter pumpet i siliciumatomer, som spontant krystalliserer på tråden.

I stedet for at danne en ensartet skal, atomer vokser til strukturer med regelmæssig afstand, ligner de dråber, der vises, når nanotråde bryder sammen ved høje temperaturer. I modsætning til med dråberne, selvom, processen kan kontrolleres tæt.

"Ved at variere temperaturen og trykket, vi kan udøve en vis kontrol over størrelsen og afstanden mellem disse strukturer, "Dag sagde." Det, vi fandt, var, hvis vi ændrer betingelserne, vi kan 'tune', hvordan disse strukturer er bygget. "

Sammen med at duplikere processen i nanotråde mellem 20 og 100 nanometer i diameter, forskere demonstrerede processen ved hjælp af flere kombinationer af materialer, herunder silicium og germanium. Udover at kunne "tune" afstanden mellem lapperne på nanotråde, Mankin sagde, at tests viste, at de også var i stand til at indstille ledningernes tværsnit.

"Vi kan indstille tværsnittet for at producere mere afrundede eller firkantede ledninger, "Mankin sagde." Vi var også i stand til at producere ledninger med en trombocytlignende form. "

Med de nye strukturer, forskere fandt, kom nye ejendomme til ledningerne. Mens Day og Mankins undersøgelse fokuserede på ledningernes evne til at absorbere forskellige bølgelængder af lys, begge sagde, at yderligere forskning er nødvendig for at udforske andre ejendomme.

"Dette papir er kun et eksempel, "Day sagde." Der er mange andre egenskaber - herunder termisk konduktans, elektrisk ledningsevne, og magnetiske egenskaber - der afhænger af ledernes diameter, og de skal stadig undersøges. "

Selvom det kan tage år at udforske disse ekstra ejendomme fuldt ud, Day og Mankin sagde, at ansøgninger om de nye ledninger kunne dukke op på kort sigt.

"Strukturer i denne skala, fordi de har en bølgelængde i størrelse, absorberer lys meget effektivt, "Dag forklaret." De fungerer næsten som optiske antenner, og træn lyset ind i dem. Tidligere forskning har vist, at ledninger med forskellig diameter absorberer forskellige bølgelængder af lys. For eksempel, meget små diametre absorberer godt blåt lys, og større diametre absorberer grønt lys. Det, vi viste, er, hvis du har denne modulering langs strukturen ... vi kan have det bedste fra begge verdener og absorbere begge bølgelængder på den samme struktur. "

De nye ledningers usædvanlige lysabsorberingsevner slutter ikke der, selvom.

Ved at krympe rummet mellem de krystallinske strukturer, Day og Mankin opdagede, at ledningerne ikke kun absorberer lys ved bestemte bølgelængder, de absorberer også lys fra andre dele af spektret.

"Det er faktisk mere end en simpel additiv effekt, "Dag sagde." Når du krymper afstanden til afstande, der er mindre end cirka 400 nanometer, det skaber det, der kaldes ristetilstande, og vi ser disse enorme absorptionstoppe i det infrarøde. Det betyder, at du kunne absorbere den samme mængde infrarødt lys med disse nanotråde, som du kunne med traditionelle siliciummaterialer, der er 100 gange tykkere. "

"Dette er en stærk opdagelse, fordi tidligere, hvis du ville bruge nanotråde til fotodetektering af grønt og blåt lys, du skal bruge to ledninger, "Mankin sagde." Nu kan vi reducere mængden af ​​plads, en enhed kan optage ved at have flere funktioner i en enkelt ledning. Vi vil være i stand til at bygge mindre enheder, der stadig opretholder høj effektivitet, og i nogle tilfælde vil drage fordel af nye egenskaber, der vil komme frem af denne modulering, som du ikke har i ledninger med ensartet diameter. "

Denne historie er udgivet med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitets officielle avis. For yderligere universitetsnyheder, besøg Harvard.edu.