Materiaalwetenschappers leren nanodraden te 'dansen'

De ultrahoogvacuüm elektronenmicroscoop, weggestopt in een laboratorium in een onopvallend gangpad op de begane grond van het IBM Thomas J Watson Research Center (zelf weggestopt in de bossen van Westchester County, NY) bevat veel aanwijzingen die wetenschappers helpen de fysica te ontsluiten dat gebeurt op nanoschaaldimensies. Begrijpen hoe materialen zich gedragen bij zulke kleine afmetingen opent de verbeelding van de wetenschappelijke gemeenschap voor toekomstige nieuwe elektronische apparaten. De elektronenmicroscoop werkt een beetje als een boerderij, maar in plaats van je favoriete groente te kweken, zijn de objecten die groeien nanodraden:extreem smalle maar lange kristallen gemaakt van halfgeleidende materialen, elk met hun eigen specifieke elektronische eigenschappen.

De groei begint met kleine "zaadjes", bestaande uit katalytische metaaldruppeltjes, die de wetenschappers op een vlak "veld" van silicium strooien. Wanneer de juiste ingrediënten worden aangevoerd - warmte en speciale gassen - begint elk zaadje een nanodraad te laten groeien. Maar anders dan op een echte boerderij, waar de groei ondergronds begint, blijven de zaaddruppeltjes hier aan de toppen van hun nanodraden, zodat de groei alleen aan de toppen plaatsvindt. Het resultaat is een woud van lange, smalle kristallen die recht omhoog groeien. In een nieuwe wending van experimenten heeft het team aangetoond dat wanneer ze een elektrisch veld inschakelen, de druppels zijwaarts kunnen worden getrokken of verticaal kunnen worden uitgerekt. Deze kleine "dans" of "uitrekkende" beweging dwingt de groeiende kristallen om in reactie daarop van richting te veranderen. Elektrische veldcontrole van nanodraadgroei is een nieuwe grens en opent de deuren om aangepaste nanostructuren te bouwen die kunnen worden geïntegreerd in nieuwe soorten elektronische apparaten.

IBM-wetenschappers, onder leiding van Dr. Frances Ross, in samenwerking met de Universiteit van Cambridge, de Universiteit van Pennsylvania en de Technische Universiteit van Denemarken, publiceerden hun resultaten, "Controlling nanowire growth through electric field-inerated vervorming van de katalysatordruppel" in de laatste uitgave van Nature Communications deze week (DOI:10.1038/NCOMMS12271).

Om het elegante druppelgemedieerde proces dat nanodraden laat groeien te beheersen, heeft het team al veel eenvoudige trucs uitgeprobeerd:het veranderen van de temperatuur, druk, het mengsel van gassen en katalysatormaterialen tijdens de groei. “Wat we hier wilden doen, was proberen aan een nieuwe knop te draaien om te zien wat voor soort structuur we zouden krijgen. De knop die we hebben toegevoegd is een elektrisch veld dat we hebben gecreëerd door tijdens de groei een spanning op het monster aan te leggen. Toen we het veld in- en uitschakelden, konden we elke druppel zien vervormen en de groei van de nanodraad vervolgens veranderen om het te volgen", zegt Ross, materiaalwetenschapper, IBM Research.

Dit is de reden dat het team hun groei-experimenten in de microscoop uitvoerde:ze konden de nanodraden meteen zien bewegen als ze het elektrische veld aanzetten. De microscoop vergroot de groeiende nanodraad 50.000 keer en neemt elke seconde 30 beelden op, waardoor er voldoende gegevens zijn om te analyseren.

"Elektrische velden leken het proberen waard, omdat we wisten dat de katalysatordruppels zich zouden gedragen als elk ander metaal in een elektrisch veld en in de richting van het veld zouden worden getrokken," zei Ross. "Wat vooral intrigerend was in deze experimenten, was de manier waarop de veranderde positie van de druppel invloed had op hoe de groei plaatsvond aan de nanodraadtip."

Een interessant bijproduct van het onderzoek was het kunnen meten van de oppervlaktespanning van de vloeistofdruppel. Oppervlaktespanning is de huid die druppeltjes, zoals waterdruppels op glas, in hun bolvorm houdt. Een nauwkeurige waarde voor oppervlaktespanning is een fundamentele vereiste voor het ontwikkelen van computermodellen om nanodraadgroei te voorspellen.

“We zijn altijd op zoek naar de beste manier om kristallen met bepaalde eigenschappen te kweken. We weten wat we kunnen krijgen door temperatuur of druk te veranderen:interessante, bruikbare nanodraden, maar altijd verticaal groeiend. Met het elektrische veld hebben we eindelijk een manier om een ​​draad zijwaarts of onder een hoek te laten groeien, zodat we een driedimensionale structuur kunnen vormen, "voegde Ross eraan toe.

Toepassingen voor "dansende" nanodraden

Moderne elektronische apparaten gebruiken een steeds groter wordende portfolio van materialen in de zoektocht om de rekenkracht en datacapaciteit te verbeteren en nieuwe functionaliteiten te implementeren. Schuine of geknikte nanodraden zouden het materiaalrepertoire kunnen uitbreiden, vooral als ze betrouwbaar kunnen worden vervaardigd. Ze kunnen nuttig zijn als onderlinge verbindingen, waarbij een apparaat een elektrische verbinding tussen verschillende componenten in een circuit nodig heeft. Ze kunnen nieuwe soorten IoT-sensoren mogelijk maken of als sondes worden gebruikt. Een V-vormige sonde kan bijvoorbeeld in een levende cel worden geprikt om de kleine elektrische signalen van een cel te volgen. Andere nanodraden in de vorm van de letters "T" of "X" hebben ook interessante toepassingen. Door deze "letters" in een magnetisch veld te plaatsen en de stroom te meten door spanning op verschillende poten aan te leggen, kan dit helpen bij het testen van fundamentele natuurkundige theorieën. Deze theorieën zijn diepzinnig, omdat ze het gedrag van speciale excitaties in halfgeleidende materialen beheersen. Maar ze zullen misschien ook praktisch relevant zijn:de excitaties kunnen de middelen bieden om informatie in kwantumcomputers op te slaan op een manier die enkele van de beperkingen van de huidige ontwerpen vermijdt. Nanodraden gekweekt met dansende, strekkende druppeltjes kunnen de eerste stap op dit pad zijn.

De ultrahoogvacuüm elektronenmicroscoop in 360 graden