Forskere har en ny måde at måle væksten af ​​nanotråde

I en ny undersøgelse, forskere fra US Department of Energy's (DOE) Argonne og Brookhaven National Laboratories observerede dannelsen af ​​to slags defekter i individuelle nanotråde, som er mindre i diameter end et menneskehår.

Disse nanotråde, lavet af indium gallium arsenid, kunne være nyttig til en lang række anvendelser inden for et felt, forskere har betegnet optoelektronik, som omfatter enheder, der fungerer ved at konvertere lysenergi til elektriske impulser. Fiberoptiske relæer er et godt eksempel.

"Vi skal bare komme tæt nok på til at ramme et sted på målet; vi behøver ikke at dele den ordsprogede pil." - Stephan Hruskewycz, Argonne materialeforsker

Effektiviteten af ​​disse enheder, imidlertid, kan påvirkes af små defekter i deres komponenter. Disse fejl, som kan ændre både de optiske og elektroniske egenskaber for disse materialer, interesse forskere, der søger at skræddersy dem til at øge funktionaliteten af ​​fremtidig optoelektronik, herunder materialer, der vil være i stand til at manipulere kvanteinformation.

I undersøgelsen, holdet, som også involverede samarbejdspartnere fra Northwestern University og to europæiske universiteter, observeret to slags fejl i en enkelt nanotråd. Den første form for fejl, forårsaget af belastning, påvirker hele nanotråden, forhindrer den i at vokse helt lige. Den anden form for fejl, kaldet en stablingsfejl, forekommer tæt på atomniveauet, som individuelle atomplaner er lagt ned for at forlænge nanotråden.

"For at visualisere forskellen mellem stablingsfejl og belastning, du kan tænke på at blande et kortspil, "sagde Argonne materialeforsker Stephan Hruszkewycz, en studie forfatter. "En stabelfejl opstår, når et kort fra bunken blandes ufuldkommen - som om to kort kommer fra højre hånd, før et kan komme fra venstre."

Stamme, Hruszkewycz forklarede, "ser ud som om et tårn af kortstationer blev vippet i en bestemt retning i stedet for at stå helt lige."

Fordi stablingsfejl og belastning forekommer på så forskellige skalaer, for at forstå, hvordan de interagerer for at ændre en nanotråds egenskaber, kræver forskere at bruge sofistikeret billedteknologi og komplekse matematiske algoritmer.

Ved at bruge en teknik kaldet Bragg ptychography til at observere defekterne, Argonne -forskerne skabte en metode, de kunne bruge til at se nanotråden inden for dets driftsmiljø.

"Vi har udviklet en teknik, der giver os mulighed for at undersøge den faktiske lokale struktur i materialet, "Hruszkewycz sagde." Dette giver os mulighed for at foretage værdifulde sammenligninger med teorier, som folk er kommet med, der beskriver, hvordan disse defekter ikke kun kan påvirke nanotråden, men hele den enhed, som den er en del af. "

"Metoden giver en manglende forbindelse mellem nanoskala defektstruktur og variationer i belastning på skalaer i længere længde, der gør det muligt for os bedre at kontrollere de optoelektroniske egenskaber ved nanotråde, "sagde professor i materialevidenskab ved Northwestern University Lincoln Lauhon.

I Bragg ptychography, forskere lyser en røntgenstråle ved en række overlappende pletter over hele materialet, som en scenehånd, der langsomt bevæger en spotlight hen over en scene. Oplysningerne fra atomernes spredning af røntgenstrålerne giver forskere et tredimensionelt billede af materialet tæt på atomopløsning. Forskerne brugte teknikken ved Brookhaven's Hard X-ray Nanoprobe på National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science brugerfacilitet.

"Beamline 3-ID er i stand til at producere en sammenhængende nanofokuseret stråle, så det er velegnet til at rekonstruere billeder gennem teknikker som Bragg ptychography, "sagde Brookhaven blystråleforsker Yong Chu, forfatter til undersøgelsen. "Dette samarbejde har været yderst værdifuldt for at fremme Bragg ptychography-muligheder ved NSLS-II, såvel som vores forståelse af nanotråde. "

Forskere har for nylig forbedret algoritmerne, der genererer dette billede, en forbedring, der dramatisk har ændret processen til indsamling af røntgeninformation. I stedet for at skulle bruge en spot-by-spot netbaseret tilgang som gjort i tidligere ptychografiske undersøgelser, Hruszkewycz og hans samarbejdspartnere kunne flytte deres røntgenstråle mere frit, indsamling af nyttig information på tværs af deres prøve. "Det er som i stedet for at lave en meget enkel og gentagende linedance, alt vi skal gøre er at sørge for at vi placerer vores fødder på hver del af dansegulvet på et eller andet tidspunkt, " han sagde.

Denne fleksibilitet har en anden fordel:den giver forskere mulighed for at belyse mindre funktioner ved hjælp af en mindre pletstørrelse-der i vid udstrækning aktiveres af røntgenzoneplader fremstillet af Michael Wojcik, en fysiker ved Argonnes Advanced Photon Source. Disse zoneplader er en diffraktiv optik, der består af flere radialt symmetriske ringe, kaldet zoner, som veksler mellem uigennemsigtig og gennemsigtig. De er placeret således, at lys transmitteret af de transparente zoner konstruktivt forstyrrer ved det ønskede fokus.

"Når vi prøver at ramme vores mål, vi behøver ikke at være Robin Hood, "Hruszkewycz sagde." Vi skal bare komme tæt nok på til at ramme et sted på målet; vi behøver ikke at dele den ordsprogede pil. "

En artikel baseret på undersøgelsen, "Måling af tredimensionel belastning og strukturelle defekter i en enkelt InGaAs nanotråd ved hjælp af sammenhængende røntgen multi -angle Bragg projektion ptychography, "dukkede op i den 18. januar online udgave af Nano bogstaver .