Laboratorieforsøg viser, at halvleder nanotråde kan tunes over brede energiområder

Nanotråde lover at gøre LED'er mere farverige og solceller mere effektive, ud over at sætte fart på computere. Det er, forudsat at de små halvledere omdanner elektrisk energi til lys, og omvendt, ved de rigtige bølgelængder. Et forskerhold ved det tyske Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har formået at producere nanotråde med operationelle bølgelængder, der frit kan vælges over et bredt område – blot ved at ændre skalstrukturen. Finjusterede nanotråde kunne påtage sig flere roller i en optoelektronisk komponent. Det ville gøre komponenterne mere kraftfulde, mere omkostningseffektiv, og nemmere at integrere, som holdet rapporterer ind Naturkommunikation .

Nanotråde er ekstremt alsidige. De bittesmå elementer kan bruges til miniaturiserede fotoniske og elektroniske komponenter i nanoteknologi. Applikationer omfatter optiske kredsløb på chips, nye sensorer, LED'er, solceller og innovative kvanteteknologier. Det er de fritstående nanotråde, der sikrer kompatibiliteten af ​​nyere halvlederteknologier med konventionelle siliciumbaserede teknologier. Da kontakten til siliciumsubstratet er lille, de overvinder typiske vanskeligheder med at kombinere forskellige materialer.

Til deres studie, som varede flere år, Dresden-forskerne gik først i gang med at dyrke nanotråde fra halvledermaterialet galliumarsenid på siliciumsubstrater. Det næste trin involverede at lukke de wafertynde ledninger i et andet lag materiale, hvortil de tilføjede indium som et ekstra element. Deres mål:materialernes uoverensstemmende krystalstruktur var beregnet til at inducere en mekanisk belastning i trådkernen, som ændrer galliumarsenids elektroniske egenskaber. For eksempel, halvlederbåndgabet bliver mindre, og elektronerne bliver mere mobile. For at forstørre denne effekt, forskerne blev ved med at tilføje mere indium til skallen, eller øget skallens tykkelse. Resultatet gik langt over al forventning.

At tage en kendt effekt til ekstremer

"Det, vi gjorde, var at tage en kendt effekt til ekstremer, " forklarede Emmanouil Dimakis, leder af undersøgelsen, der involverede forskere fra HZDR, TU Dresden og DESY i Hamborg. "De opnåede 7 procent af belastningen var enorm."

På dette belastningsniveau, Dimakis havde forventet at se forstyrrelser i halvlederne:efter deres erfaring, trådkernen bøjer eller der opstår defekter. Forskerne mener, at de særlige eksperimentelle forhold var årsagen til fraværet af sådanne lidelser:For det første, de dyrkede ekstremt tynde galliumarsenid-tråde - omkring fem tusinde gange finere end et menneskehår. Sekund, holdet formåede at producere trådskallen ved usædvanlig lave temperaturer. Overfladediffusion af atomer er så mere eller mindre frosset, tvinger skallen til at vokse jævnt rundt om kernen. Holdet af forskere forstærkede deres opdagelse ved at udføre flere uafhængige serier af målinger på faciliteter i Dresden, samt ved de højglansstrålende røntgenlyskilder PETRA III i Hamborg og Diamond i England.

De ekstraordinære resultater fik forskerne til at foretage yderligere undersøgelser:"Vi flyttede vores fokus til spørgsmålet om, hvad der udløser den ekstremt høje belastning i nanotrådkernen, og hvordan dette kan bruges til visse applikationer, " erindrede Dimakis. "Forskere har været opmærksomme på galliumarsenid som materiale i årevis, men nanotråde er specielle. Et materiale kan udvise helt nye egenskaber på nanoskala."

Potentielle applikationer til fiberoptiske netværk

Forskerne indså, at den høje belastning lod dem flytte båndgabet af galliumarsenid-halvlederen til meget lave energier, hvilket gør den kompatibel selv for bølgelængder af fiberoptiske netværk. En teknologisk milepæl. Trods alt, dette spektralområde kunne tidligere kun opnås via specielle legeringer indeholdende indium, hvilket medførte en række teknologiske problemer på grund af materialeblandingen.

Der kræves højpræcisionsmetoder for at producere nanotråde. Fire år siden, et særligt system blev installeret ved HZDR til dette formål:molekylærstråleepitaxilaboratoriet. Den selvkatalyserede vækst af nanotråde fra stråler af atomer eller molekyler opnås i laboratoriet; strålerne rettes mod siliciumsubstrater i ultrahøjt vakuum. Emmanouil Dimakis spillede en stor rolle i etableringen af ​​laboratoriet. De fleste af undersøgelserne rapporteret i den aktuelle publikation blev udført af Leila Balaghi som en del af hendes doktorgrad.