Nanoworld sneslyngemaskiner skærer lige kanaler i halvlederoverflader

I nanoverdenen, små partikler af guld kan fungere som sneslynge, kværning gennem overfladelag af en vigtig klasse af halvledere for at grave fejlfrit lige stier. Den overraskende nedgravningsevne, rapporteret af forskere fra National Institute of Standards and Technology (NIST) og IBM, er en vigtig tilføjelse til værktøjssættet af naturleverede 'selv-samle'-metoder, som forskerne har til formål at udnytte til fremstilling af nyttige enheder.

Forudsigelige anvendelser omfatter integration af lasere, sensorer, bølgeledere og andre optiske komponenter til såkaldte lab-on-a-chip enheder, der nu bruges til sygdomsdiagnose, screening af eksperimentelle materialer og lægemidler, DNA retsmedicin og mere. Let at styre, den nye guldkatalyserede proces til at skabe mønstre af kanaler med dimensioner i nanoskala kunne bidrage til at skabe helt nye teknologier, der er skabt af ensembler af ultra-små strukturer.

Foreløbige forskningsresultater, der begyndte som citroner - en fejl forårsaget af forurening, der forhindrede den forventede dannelse af nanotråde - blev til sidst til limonade, da scanning af elektronmikroskopbilleder afslørede lange, lige kanaler.

"Vi var skuffede, i første omgang, " siger NIST-forskningskemiker Babak Nikoobakht. "Så fandt vi ud af, at vand var forureningen i processen - et problem, der viste sig at være en god ting."

Det er fordi, som bestemt i efterfølgende forsøg, tilsætning af vanddamp tjente til at omdanne guldnanopartikler til kanalgravere, snarere end de forventede ledningsmagere. Begyndende med undersøgelser af halvlederen indiumphosphid, holdet drillede de kemiske mekanismer og nødvendige forhold til grund for overfladeætsningsprocessen.

Først, de mønstrede halvlederens overflade ved selektivt at belægge den med et guldlag på kun få nanometer tykt. Ved opvarmning, filmen bryder op i små partikler, der bliver til dråber. Det underliggende indiumphosphid opløses i guldnanopartiklerne ovenfor, skabe en guldlegering. Derefter, opvarmet vanddamp indføres i systemet. Ved temperaturer under 300 grader Celsius (572 grader Fahrenheit), de små partikler af guldlegering, nu fyldt med vandmolekyler, ætse gruber i nanoskala ind i indiumphosphidet.

Men ved 440 grader Celsius (824 grader Fahrenheit) og derover, lange V-formede nanokanaler dannet. Kanalerne fulgte lige veje dikteret af det regelmæssigt gentagne gitter af atomer i den krystallinske halvleder. Under processen, indium- og phosphoratomer interagerer med oxygenatomer i vandmolekylerne på overfladen af ​​guldlegeringsdråben. Det oxiderede indium og phosphor fordamper, og dråben rykker frem, opsamler flere halvlederatomer for at oxidere efterhånden.

Resultatet er en række krystallinske lunde. Dimensionerne af rillerne svarer til dråbestørrelsen, som kan styres.

Træde i kræft, dråben er den kemiske ækvivalent til sneglen på en sneslynge, der i stedet for sne, borer gennem den øverste del af halvlederen og udstøder fordampede bits, Nikoobakht forklarer.

Holdet observerede de samme fænomener i galliumphosphid og indiumarsenid, yderligere to eksempler på halvledere dannet ved at kombinere elementer fra tredje og femte kolonne i det periodiske system. Sammensatte halvledere i denne klasse bruges til at fremstille LED'er, og til kommunikation, højhastighedselektronik og mange andre applikationer. Nikoobakht mener, at med justeringer, ætsningsprocessen kan også fungere til at skabe mønstre af kanaler på silicium og andre materialer.

kontrollerbar, hurtig og fleksibel, "bottom up" kanalfremstillingsprocessen viser lovende brug i industriel skala, foreslår forskerne. I deres artikel, holdene beskriver, hvordan de brugte processen til at ætse mønstre af hule kanaler som dem, der bruges til at dirigere strømmen af ​​væsker, såsom en blodprøve, i en mikrofluidisk enhed, eller lab på en chip.