Новый подход потенциально может быть применен к различным материалам и может быть использован для создания устройств следующего поколения, таких как солнечные элементы, светоизлучающие диоды, электроника высокой мощности и многое другое, – говорит Шауль Алони, штатный научный сотрудник Molecular Foundry лаборатории Беркли, DOE. пользовательский объект и ведущий автор исследования.
С начала 2000-х годов ученые добились устойчивого прогресса в выращивании нанопроволок. По словам исследователей, первые образцы нанопроволоки напоминали «спутанную лапшу или разрушенные лесными пожарами леса».
Совсем недавно ученые обнаружили, что различные условия приводят к росту более упорядоченных массивов нанопроволок.
Например, определенные подложки, на которых растут нанопроволоки, создают условия, при которых ориентация роста нанопроволоки определяется кристаллической структурой подложки. К сожалению, этот и другие подходы не были надежными, и некоторые нанопровода по-прежнему не работают.
Более того, не существует простого способа выращивать разные типы нанопроволок в одной среде и на одной и той же подложке.
Это было бы полезно, если вы хотите выборочно выращивать нанопровода с разными электронными или оптическими свойствами в одной партии, например.
«В Molecular Foundry мы стремимся разрабатывать новые стратегии и добавлять новые инструменты в набор приемов, используемых для синтеза наноматериалов», – говорит Алони. «В течение многих лет мы искали более умные способы выращивания наноструктур с разными оптическими свойствами в идентичных условиях роста. Разработка катализатора приближает нас к достижению этой цели."
Исследователи сосредоточились на нанопроводах из нитрида галлия. В своей основной (ненанометровой) форме нитрид галлия излучает свет в синем или ультрафиолетовом диапазоне. Если к нему добавить атомы индия, диапазон может быть расширен за счет включения красного, что по существу делает его настраиваемым источником света широкого спектра в видимом диапазоне.
Проблема в том, что добавление атомов индия подвергает кристаллическую структуру нитрида галлия напряжению, что приводит к плохой работе устройств.
Однако нанопроволоки из нитрида галлия не испытывают такой же деформации кристаллов, поэтому ученые надеются использовать их в качестве настраиваемых источников света широкого спектра.
Чтобы добиться их контроля, команда сосредоточилась на катализе, который направляет рост нанопроволоки. Обычно исследователи используют катализаторы из одного металла.
Команда Беркли решила использовать в качестве катализаторов металлические смеси золота и никеля, называемые сплавами.
В ходе исследования исследователи обнаружили, что ориентация роста нанопроволок нитрида галлия сильно зависит от относительной концентрации никеля и золота в катализаторе.
Изменяя концентрации в сплаве, исследователи могли точно управлять ориентацией нанопроволок даже на одной и той же подложке из одной партии.
«Никто раньше не использовал биметаллические катализаторы для контроля направления роста», – говорит Тевье Куйкендалл, ученый из Molecular Foundry лаборатории Беркли. Куйкендалл говорит, что механизм, приводящий в действие новый процесс роста, до конца не изучен, но он включает в себя различные тенденции золота и никеля к выравниванию с различными кристаллографическими поверхностями в точке, где начинают расти нанопроволоки.
Исследователи также показали, что в зависимости от выбранного направления роста наблюдались различные оптические свойства благодаря поверхности кристаллов, выступающей на поверхности нанопроволоки. «Одна из вещей, которая делает наноструктуры интересными, – это то, что поверхность играет большую роль в определении свойств материала», – говорит Алони. Это приводит к изменениям оптических свойств, которые не наблюдаются у крупногабаритных материалов, что делает их более полезными.
Алони говорит, что в следующий раз команда сосредоточится больше на химии различных поверхностей нанопроволоки, чтобы в дальнейшем адаптировать оптические свойства нанопроволоки.