Ny teknik til syntetisering af nanostrukturerede nanotråde

Forskere har udviklet en ny metode til dyrkning af 'hybrid' krystaller på nanoskalaen, hvor kvantepunkter - hovedsagelig nanoskala halvledere - af forskellige materialer sekventielt kan inkorporeres i en værtsnanotråd med perfekte forbindelsespunkter mellem komponenterne.

En ny tilgang til selvsamling og skræddersyning af komplekse strukturer på nanoskalaen, udviklet af et internationalt samarbejde ledet af University of Cambridge og IBM, åbner muligheder for at skræddersy egenskaber og funktionaliteter af materialer til en lang række applikationer til halvlederudstyr.

Forskerne har udviklet en metode til dyrkning af kombinationer af forskellige materialer i en nålformet krystal kaldet en nanotråd. Nanotråde er små strukturer, kun et par milliarddeler af en meter i diameter. Halvledere kan dyrkes til nanotråde, og resultatet er en nyttig byggesten til elektrisk, optisk, og energiindsamlingsudstyr. Forskerne har fundet ud af, hvordan man dyrker mindre krystaller i nanotråden, danner en struktur som en krystalstang med et integreret udvalg af ædelstene. Detaljer om den nye metode er offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer .

"Nøglen til at bygge funktionelle nanoskalaenheder er at kontrollere materialer og deres grænseflader på atomniveau, "sagde dr. Stephan Hofmann fra Institut for Ingeniørvidenskab, en af ​​papirets seniorforfattere. "Vi har udviklet en metode til konstruktion af inklusioner af forskellige materialer, så vi kan lave komplekse strukturer på en meget præcis måde."

Nanotråde dyrkes ofte gennem en proces kaldet Vapor-Liquid-Solid (VLS) syntese, hvor en lille katalytisk dråbe bruges til at frø og fodre nanotråden, så det selv samler et atomlag ad gangen. VLS tillader en høj grad af kontrol over den resulterende nanotråd:sammensætning, diameter, vækstretning, forgrening, knæk og krystalstruktur kan styres ved at indstille selvsamlingsbetingelserne. Efterhånden som nanotråde bliver bedre kontrolleret, nye applikationer bliver mulige.

Den teknik, Hofmann og hans kolleger fra Cambridge og IBM udviklede, kan betragtes som en udvidelse af det koncept, der ligger til grund for konventionel VLS -vækst. Forskerne bruger den katalytiske dråbe ikke kun til at dyrke nanotråden, men også for at danne nye materialer inden for det. Disse små krystaller dannes i væsken, men fastgør senere til nanotråden og bliver derefter indlejret, når nanotråden vokser yderligere. Denne katalysatorformidlede dockingproces kan 'selvoptimere' for at skabe yderst perfekte grænseflader til de indlejrede krystaller.

For at afdække kompleksiteten af ​​denne proces, forskergruppen brugte to tilpassede elektronmikroskoper, en på IBM's TJ Watson Research Center og en anden ved Brookhaven National Laboratory. Dette tillod dem at optage højhastighedsfilm af nanotrådens vækst, når det sker atom-for-atom. Forskerne fandt ud af, at brug af katalysatoren som en 'blandeskål', med rækkefølgen og mængden af ​​hver ingrediens programmeret til en ønsket opskrift, resulteret i komplekse strukturer bestående af nanotråde med indlejrede nanoskala krystaller, eller kvantepunkter, af kontrolleret størrelse og position.

"Teknikken gør det muligt at inkorporere to forskellige materialer i den samme nanotråd, selvom gitterstrukturerne i de to krystaller ikke passer perfekt sammen, "sagde Hofmann." Det er en fleksibel platform, der kan bruges til forskellige teknologier. "

Mulige anvendelser for denne teknik spænder fra atomisk perfekte begravede forbindelser til enkelt-elektron transistorer, minder med høj densitet, lysemission, halvlederlasere, og tunneldioder, sammen med evnen til at konstruere tredimensionelle enhedskonstruktioner.

"Denne proces har gjort det muligt for os at forstå opførsel af nanoskala materialer i detaljer uden fortilfælde, og at viden nu kan anvendes på andre processer, sagde Hofmann.