Forskere bruger verdens mindste diamanter til at lave ledninger tre atomer brede (Opdatering)

Forskere ved Stanford University og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory har opdaget en måde at bruge diamantoider - de mindst mulige diamantstykker - til at samle atomer i de tyndest mulige elektriske ledninger, kun tre atomer brede.

Ved at gribe forskellige typer atomer og sætte dem sammen i LEGO-stil, den nye teknik kan potentielt bruges til at bygge små ledninger til en bred vifte af applikationer, inklusive stoffer, der genererer elektricitet, optoelektroniske enheder, der anvender både elektricitet og lys, og superledende materialer, der leder elektricitet uden tab. Forskerne rapporterede deres resultater i dag i Naturmaterialer .

"Det, vi har vist her, er, at vi kan lave små, ledende ledninger af den mindst mulige størrelse, der i det væsentlige samler sig selv, " sagde Hao Yan, en postdoc-forsker i Stanford og hovedforfatter af papiret. "Processen er en enkel, one-pot syntese. Du dumper ingredienserne sammen, og du kan få resultater på en halv time. Det er næsten, som om diamanterne ved, hvor de vil hen."

Jo mindre jo bedre

Selvom der er andre måder at få materialer til selv at samle, dette er den første vist til at lave en nanotråd med en solid, krystallinsk kerne, der har gode elektroniske egenskaber, sagde studie medforfatter Nicholas Melosh, en lektor ved SLAC og Stanford og investigator hos SIMES, Stanford Institute for Materials and Energy Sciences ved SLAC.

De nålelignende ledninger har en halvledende kerne - en kombination af kobber og svovl kendt som et chalcogenid - omgivet af de vedhæftede diamantoider, som danner en isolerende skal.

Deres lille størrelse er vigtig, Melosh sagde, fordi et materiale, der kun eksisterer i en eller to dimensioner - som prikker i atomskala, ledninger eller plader - kan have meget forskellige, ekstraordinære egenskaber sammenlignet med samme materiale fremstillet i løs vægt. Den nye metode giver forskere mulighed for at samle disse materialer med atom-for-atom præcision og kontrol.

Diamantoiderne de brugte som samleværktøj er små, sammenlåsende bure af kulstof og brint. Findes naturligt i petroleumsvæsker, de udvindes og adskilles efter størrelse og geometri i et SLAC-laboratorium. I løbet af det seneste årti, et SIMES-forskningsprogram ledet af Melosh og SLAC/Stanford Professor Zhi-Xun Shen har fundet en række potentielle anvendelsesmuligheder for de små diamanter, herunder forbedring af elektronmikroskopbilleder og fremstilling af bittesmå elektroniske gadgets.

Konstruktiv tiltrækning

Til denne undersøgelse, forskerholdet udnyttede det faktum, at diamantoider er stærkt tiltrukket af hinanden, gennem det, der er kendt som van der Waals-styrker. (Denne tiltrækning er det, der får de mikroskopiske diamantoider til at klumpe sammen til sukkerlignende krystaller, hvilket er den eneste grund til at du kan se dem med det blotte øje.)

De startede med de mindst mulige diamantoider - enkelte bure, der kun indeholder 10 kulstofatomer - og knyttet et svovlatom til hver. Flydende i en opløsning, hvert svovlatom bundet med en enkelt kobberion. Dette skabte den grundlæggende nanotrådsbyggesten.

Byggeklodserne drev derefter mod hinanden, tegnet af van der Waals tiltrækning mellem diamanterne, og fastgjort til den voksende spids af nanotråden.

"Ligesom LEGO klodser, de passer kun sammen på bestemte måder, der er bestemt af deres størrelse og form, " sagde Stanford kandidatstuderende Fei Hua Li, som spillede en afgørende rolle i at syntetisere de små ledninger og finde ud af, hvordan de voksede. "Kobber- og svovlatomerne i hver byggeblok viklet op i midten, danner den ledende kerne af ledningen, og de mere omfangsrige diamanter viklet op på ydersiden, danner den isolerende skal."

Et alsidigt værktøjssæt til at skabe nye materialer

Holdet har allerede brugt diamantoider til at lave endimensionelle nanotråde baseret på cadmium, zink, jern og sølv, inklusive nogle, der voksede længe nok til at se uden et mikroskop, og de har eksperimenteret med at udføre reaktionerne i forskellige opløsningsmidler og med andre typer stive, burlignende molekyler, såsom carboraner.

De cadmium-baserede ledninger ligner materialer, der bruges i optoelektronik, såsom lysemitterende dioder (LED'er), og de zinkbaserede er som dem, der bruges i solenergiapplikationer og i piezoelektriske energigeneratorer, som omdanner bevægelse til elektricitet.

"Du kan forestille dig at væve dem ind i stoffer for at generere energi, " sagde Melosh. "Denne metode giver os et alsidigt værktøjssæt, hvor vi kan pille ved en række ingredienser og eksperimentelle betingelser for at skabe nye materialer med finjusterede elektroniske egenskaber og interessant fysik."

Teoretikere ledet af SIMES-direktør Thomas Devereaux modellerede og forudsagde de elektroniske egenskaber af nanotrådene, som blev undersøgt med røntgenstråler ved SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, en DOE Office of Science brugerfacilitet, at bestemme deres struktur og andre egenskaber.