Undersøgelse afslører væsentlige ingredienser til vækst af nanotråde

Efterhånden som halvleder nanotråde dukker op som uundværlige byggesten til næste generations elektroniske, energiomdannelse, og fotoniske enheder (dvs. solpaneler, lasere), en bedre forståelse af, hvordan man styrer nanotrådvækst, er afgørende, ifølge Georgia Tech-forskere.

Mange størrelsesordener mindre end husholdningsledninger, nanotråde kan fremstilles af en række halvledende materialer, herunder germanium og silicium.

Årevis, syntesen af ​​nanotråde har været noget mystisk, kræver, at videnskabsmænd eksperimenterer med reaktorindstillinger, modulering af temperatur og tryk, for at se, hvad der ville fungere bedst – en langsom, besværlig proces med forsøg og fejl. "Det har været som at lave noget i ovnen uden nogensinde at kunne kigge ind, før det er gjort timer senere, " forklarer Michael Filler, lektor ved Georgia Tech's School of Chemical &Biomolecular Engineering.

Imidlertid, et team, der arbejder i Filler-laboratoriet, har opnået hidtil uset indsigt i nanowire-vækstprocessen gennem brug af infrarød spektroskopi i realtid. De fandt ud af, at overfladearter, specifikt hydrogenatomer og methylgrupper, dekorerer nanotrådens overflade og er afgørende for den stabile vækst af nanotråde lavet af germanium.

Ifølge undersøgelsens resultater, uden tilstedeværelse af brint og methyl, der adsorberer (eller klæber) til nanotrådens sidevægge, væskedråben, der sidder på toppen af ​​nanotråden, kunne glide, får væksten til at ophøre. "Disse overfladearter, hydrogen- og methylmolekyler, opfør dig som et lag af Rain-X, holde dråben på plads, " Filler forklarer.

"Vores arbejde viser, at uden disse overfladeadsorbater, vækst sker ikke. Ingen vidste det før, " siger Filler, hvis forskerhold offentliggjorde sine resultater i et nyligt nummer af Journal of the American Chemical Society . "Så længe forskerne har brugt denne vækstmetode - mere end fem årtier - vidste vi ikke, at der var noget til stede på trådoverfladen."

Nu hvor det videnskabelige samfund er klar over dette nøgleaspekt af nanotrådsyntese, forskere vil være i stand til bedre at designe processer og forløbere for at koreografere nanotrådvækst, Filler siger. Efterhånden som hindringer for produktionen af ​​nanotråde overvindes, de kan fremstilles på et større salg og inkorporeres i kommercielle produkter.

"Den grundlæggende kemiske viden i vores undersøgelse lover at fremme det rationelle syntetiske design af nanotråds struktur og funktion, " siger Filler.

Med titlen "Direkte observation af forbigående overfladearter under Ge Nanowire-vækst og deres indflydelse på vækststabilitet, " Undersøgelsen blev ledet af Saujan V. Siveram (PhD 2015), som samarbejdede med Filler, Naechul Shin (PhD 2013), og Li-Wei Chou, en tidligere postdoc-forsker ved Georgia Tech.

Filler siger, at deres eksperimenter giver indsigt i, og foreslå mulige løsninger på, langvarige udfordringer med at udvælge materialer, der katalyserer nanotrådvækstprocessen; levering af urenheder (f.eks. fosfor, bor), der påvirker elektrisk ledning; og dannelsen af ​​heterostrukturer på eller inden for nanotråde, muliggør bedre og muligvis nye kombinationer af materialer.