Forskerholdet opdager et perfekt ufuldkomment twist på nanotrådvækst

Årevis, forskere har forsøgt at finde måder at dyrke en optimal nanotråd på, ved hjælp af krystaller med perfekt afstemte lag langs hele ledningen.

Et team af forskere i Nebraska Engineering - Peter Sutter, Eli Sutter og Shawn Wimer - ser en fordel ved naturlig ufuldkommenhed.

Gennem deres forskning, fremhævet i et brev offentliggjort i den 22. april-udgave af tidsskriftet Natur , gruppen fandt ud af, at en defekt - en skrueforskydning - der opstår i vækstprocessen får lagene af krystaller til at rotere langs en akse, mens de dannes. Denne defekt skaber vendinger, der giver disse nanotråde fordele, især inden for elektronik og lysudledning.

"I lagdelte nanotråde, vi har dybest set en ny arkitektur, der implementerer et krystaltwist mellem todimensionelle materialer, sagde Peter Sutter, professor i el- og computerteknik. "Vi har den tilgang, at man (enten) kan lave sådanne snoede moiré-strukturer eller få dem til at lave selv, og når vi lader ledningerne klare opgaven på egen hånd, naturen introducerer denne defekt, et twist."

Typisk, materialer med snoede grænseflader er kunstigt skabt af to atomisk tynde 2-D krystaller. Når disse krystaller møjsommeligt placeres oven på hinanden, en lille drejning mellem dem - en mellemlagsdrejning - forårsager en moiré, eller et slagmønster, der ændrer sig med vridningsvinklen og er meget større end afstanden mellem atomerne i materialet. Elektronernes bevægelse i dette slagmønster kan forårsage nye fænomener, såsom superledning eller systematiske ændringer i farven på udsendt lys.

Sutters' team tog en anden tilgang til at realisere disse drejninger ved at dyrke nanotråde, der består af 2-D lag. De tog små partikler af guld, opvarmede dem og oversvømmede dem med en damp af germaniumsulfid. Ved høje temperaturer, guldpartiklerne smeltede og legerede med germaniumsulfidet.

"På et tidspunkt, den bliver mættet og kan ikke tage mere af den ind. Så har den et valg:tag ikke mere ind og lad en hinde vokse over den på overfladen, eller fortsæt med at prøve at absorbere mere, " sagde Eli Sutter, professor i elektro- og computerteknik. "Det viser sig, at disse partikler er grådige efter germaniumsulfid."

Guldpartiklerne blev ved med at absorbere dampen, men blev for mættede til at holde det hele og begyndte at vokse lagdelte krystaller af germaniumsulfid, en pr guldpartikel. Da germaniumsulfidet blev udstødt, krystallerne forlængede og blev til nanotråde, der er omkring 1, 000 gange tyndere end et menneskehår.

Teamet opdagede, at hver af disse ledninger havde en skrueforskydning, som frembragte en spiralformet struktur og snoningen mellem deres krystallag.

For at udforske egenskaberne af deres spiralformede snoede nanotråde, holdet brugte en fokuseret stråle af elektroner til at stimulere emission af lys fra små dele af deres nanotråde. Når de ophidsede elektroner slapper af, de udsender lys med en karakteristisk farve eller frekvens, som forskerne registrerede.

Ved at tillade en ufuldkommen stak af snoede lag, germaniumsulfid nanotrådene udsender forskellige farver lys på forskellige punkter langs ledningen. Dette gør det muligt at indstille båndgabet og kontrollere energien fra absorberet eller udsendt lys.

"Vi var i stand til at vise, at der er nye, tilgængelige lysemissionsegenskaber, der ændres langs ledningen, fordi moiré-registret ændres, " sagde Eli Sutter.

Snoede nanotråde af germaniumsulfid, en halvleder, kunne have applikationer, der inkluderer energihøst, justerbare lyskilder, eller næste generation af computere.

Forskerne, imidlertid, sagde, at deres næste skridt er at forstå, hvorfor farven på udsendt lys ændrer sig langs ledningen og muligvis opnå lignende resultater med andre materialer.

"Vi er nødt til bedre at forstå konsekvenserne af den spiralformede snoningsstruktur. Vi forventer, at snoede nanotråde stadig har mange andre overraskelser i vente for os, " sagde Peter Sutter.

Dette materiale er baseret på arbejde støttet af National Science Foundation under bevilling nr. DMR-1607795. Eventuelle meninger, fund, og konklusioner eller anbefalinger udtrykt i dette materiale er forfatterens(erne) og afspejler ikke nødvendigvis National Science Foundations synspunkter.