Forskere observerer nanotråde, mens de vokser

Hos DESYs røntgenkilde PETRA III, videnskabsmænd har fulgt væksten af ​​små tråde af galliumarsenid live. Deres observationer afslører nøjagtige detaljer om vækstprocessen, der er ansvarlig for den udviklende form og krystalstruktur af de krystallinske nanotråde. Resultaterne giver også nye tilgange til at skræddersy nanotråde med ønskede egenskaber til specifikke applikationer. Forskerne, ledet af Philipp Schroth fra University of Siegen og Karlsruhe Institute of Technology (KIT), offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Nano bogstaver . Halvlederen galliumarsenid (GaAs) er meget udbredt i infrarøde fjernbetjeninger, højfrekvente komponenter i mobiltelefoner og til at konvertere elektriske signaler til lys til fiberoptisk transmission, samt i solpaneler til indsættelse i rumfartøjer.

For at fremstille ledningerne, forskerne brugte en procedure kendt som den selvkatalyserede damp-væske-fast (VLS) metode, hvor små dråber flydende gallium først aflejres på en siliciumkrystal ved en temperatur på omkring 600 grader Celsius. Stråler af galliumatomer og arsenmolekyler rettes derefter mod waferen, hvor de adsorberes og opløses i galliumdråberne. Efter nogen tid, de krystallinske nanotråde begynder at dannes under dråberne, hvorved dråberne gradvist skubbes opad. I denne proces, galliumdråberne fungerer som katalysatorer for den langsgående vækst af ledningerne. "Selvom denne proces allerede er ret veletableret, det har indtil nu ikke været muligt specifikt at kontrollere krystalstrukturen af ​​de nanotråde, som den producerer. For at opnå dette, Vi skal først forstå detaljerne om, hvordan ledningerne vokser, " siger medforfatter Ludwig Feigl fra KIT.

For at observere væksten, mens den finder sted, Schroths gruppe installerede et mobilt forsøgskammer, specielt udviklet af KIT til røntgenforsøg i DESYs synkrotronstrålingskilde PETRA III på forsøgsstation P09. Med et minuts mellemrum, forskerne tog røntgenbilleder, som afslørede både den indre struktur og diameteren af ​​de voksende nanotråde. Ud over, de målte de fuldt udvoksede nanotråde ved hjælp af scanningselektronmikroskopet på DESY NanoLab. "For at sikre succes med sådanne komplekse målinger, en omfattende periode med vækstkarakterisering og optimering på UHV Analysis Lab på KIT var en forudsætning, " siger medforfatter Seyed Mohammad Mostafavi Kashani fra University of Siegen.

Over en periode på omkring fire timer, ledningerne voksede til en længde på omkring 4000 nanometer. En nanometer (nm) er en milliontedel af en millimeter. Imidlertid, ikke kun blev ledningerne længere i løbet af denne tid, men også tykkere - deres diameter steg fra de første 20 nm til op til 140 nm i toppen af ​​ledningen, gør dem omkring 500 gange tyndere end et menneskehår.

"Et ret spændende træk er, at billederne taget under elektronmikroskopet viser, at nanotrådene har en lidt anderledes form, " siger medforfatter Thomas Keller fra DESY NanoLab. Selvom ledningerne var tykkere i toppen end i bunden, præcis som angivet af røntgendataene, diameteren målt under elektronmikroskopet var større i den nederste del af ledningen, end hvad der blev observeret ved hjælp af røntgenstråler.

"Vi fandt ud af, at væksten af ​​nanotrådene ikke kun skyldes VLS-mekanismen, men at en anden komponent også bidrager, som vi var i stand til at observere og kvantificere for første gang i dette eksperiment. Denne ekstra sidevægsvækst lader ledningerne få bredde, " siger Schroth. Uafhængigt af VLS vækst, det dampdeponerede materiale fæstner sig også direkte til sidevæggene, især i den nedre del af nanotråden. Dette yderligere bidrag kan bestemmes ved at sammenligne de røntgenmålinger, der er taget tidligt under trådens vækst, med elektronmikroskopmålingen efter endt vækst.

Desuden, galliumdråberne bliver konstant større, efterhånden som der tilføres yderligere gallium i løbet af vækstprocessen. Ved hjælp af vækstmodeller, forskerne var i stand til at udlede formen af ​​dråberne, som også var blevet påvirket af den stigende dråbestørrelse. Effekten af ​​dette er vidtrækkende:"Når dråben ændrer sig i størrelse, kontaktvinklen mellem dråben og ledningernes overflade ændres også. Under visse omstændigheder, tråden fortsætter så pludselig med at vokse med en anden krystalstruktur, " siger Feigl. Hvorimod de fine nanotråde til at begynde med krystalliserer i en sekskantet, såkaldt wurtzite struktur, denne adfærd ændrer sig efter nogen tid, og ledningerne antager en kubisk zinkblandingsstruktur, efterhånden som de fortsætter med at vokse. Denne ændring er vigtig, når det kommer til applikationer, da nanotrådenes struktur og form har vigtige konsekvenser for det resulterende materiales egenskaber.

Sådanne detaljerede resultater fører ikke kun til en bedre forståelse af vækstprocessen; de giver også tilgange til at tilpasse fremtidige nanotråde til at have specielle egenskaber til specifikke applikationer - for eksempel for at forbedre effektiviteten af ​​en solcelle eller en laser.