Materialwissenschaftler bringen Nanodrähten das Tanzen bei

Das Ultrahochvakuum-Elektronenmikroskop, das in einem Labor in einem unscheinbaren Gang im Erdgeschoss des IBM Thomas J Watson Research Centers (das sich selbst in den Wäldern von Westchester County, NY versteckt, versteckt liegt) versteckt ist, enthält viele Hinweise, die Wissenschaftlern helfen, die Physik zu entschlüsseln das findet in nanoskaligen Dimensionen statt. Zu verstehen, wie sich Materialien bei so kleinen Größen verhalten, eröffnet der wissenschaftlichen Gemeinschaft die Vorstellungskraft für zukünftige neue elektronische Geräte. Das Elektronenmikroskop funktioniert ein bisschen wie ein Bauernhof, aber anstatt dein Lieblingsgemüse zu züchten, wachsen Nanodrähte:extrem schmale, aber lange Kristalle aus halbleitenden Materialien mit jeweils eigenen elektronischen Eigenschaften.

Das Wachstum beginnt mit winzigen „Samen“, die aus katalytischen Metalltröpfchen bestehen, die die Wissenschaftler auf ein flaches „Feld“ aus Silizium streuen. Wenn die richtigen Zutaten zugeführt werden – Wärme und spezielle Gase – beginnt aus jedem Samenkorn ein Nanodraht zu wachsen. Aber anders als in einer echten Farm, wo das Wachstum unter der Erde beginnt, bleiben die Samentröpfchen hier an den Spitzen ihrer Nanodrähte, wodurch sichergestellt wird, dass das Wachstum nur an den Spitzen stattfindet. Das Ergebnis ist ein Wald aus langen, schmalen Kristallen, die gerade nach oben wachsen. In einem neuen Experiment hat das Team gezeigt, dass die Tröpfchen beim Einschalten eines elektrischen Felds seitlich gezogen oder vertikal gestreckt werden können. Diese kleine „Tanz“- oder „Streckbewegung“ zwingt die wachsenden Kristalle, als Reaktion darauf ihre Richtung zu ändern. Die Steuerung des Wachstums von Nanodrähten durch elektrische Felder ist eine neue Grenze, die die Türen öffnet, um maßgeschneiderte Nanostrukturen zu bauen, die in neue Arten von elektronischen Geräten integriert werden können.

IBM-Wissenschaftler unter der Leitung von Dr. Frances Ross veröffentlichten in Zusammenarbeit mit der University of Cambridge, der University of Pennsylvania und der Technical University of Denmark ihre Ergebnisse mit dem Titel "Controlling nanowire growth through electric field-induced deformation of thecatalyst droplet" in der neuesten Ausgabe von Nature Communications diese Woche (DOI:10.1038/NCOMMS12271).

Um den eleganten Tröpfchen-vermittelten Prozess zum Wachsen von Nanodrähten zu kontrollieren, hat das Team bereits viele einfache Tricks ausprobiert:Temperatur, Druck, Gasgemisch und Katalysatormaterial während des Wachstums ändern. „Wir wollten hier versuchen, an einem neuen Knopf zu drehen, um zu sehen, welche Art von Struktur wir erhalten würden. Der von uns hinzugefügte Knopf ist ein elektrisches Feld, das wir durch Anlegen einer Spannung an die Probe während des Wachstums erzeugt haben. Als wir das Feld ein- und ausschalteten, konnten wir sehen, wie sich jedes Tröpfchen verformte und sich das Nanodrahtwachstum dann änderte, um ihm zu folgen“, sagte Ross, Materialwissenschaftler bei IBM Research.

Aus diesem Grund führte das Team seine Wachstumsexperimente im Mikroskop durch:Sie konnten beim Einschalten des elektrischen Felds sofort sehen, wie sich die Nanodrähte bewegen. Das Mikroskop vergrößert den wachsenden Nanodraht um das 50.000-fache und zeichnet jede Sekunde 30 Bilder auf, was eine Vielzahl von zu analysierenden Daten liefert.

„Elektrische Felder schienen einen Versuch wert, weil wir wussten, dass sich die Katalysatortröpfchen wie jedes andere Metall in einem elektrischen Feld verhalten und in Richtung des Feldes gezogen werden“, sagte Ross. „Besonders faszinierend an diesen Experimenten war die Art und Weise, wie sich die veränderte Position des Tröpfchens auf das Wachstum an der Nanodrahtspitze auswirkte.“

Ein interessantes Nebenprodukt der Forschung war die Messung der Oberflächenspannung des Flüssigkeitströpfchens. Oberflächenspannung ist die Haut, die Tröpfchen, wie Wassertröpfchen auf Glas, in ihrer kugelförmigen Form hält. Ein genauer Wert für die Oberflächenspannung ist eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung von Computermodellen zur Vorhersage des Nanodrahtwachstums.

„Wir sind immer auf der Suche nach dem besten Weg, Kristalle mit besonderen Eigenschaften zu züchten. Wir wissen, was wir durch Temperatur- oder Druckänderungen erreichen können:interessante, nützliche Nanodrähte, die aber immer vertikal wachsen. Mit dem elektrischen Feld haben wir endlich eine Möglichkeit, einen Draht dazu zu zwingen, seitlich oder schräg zu wachsen, sodass wir eine dreidimensionale Struktur bilden können“, fügte Ross hinzu.

Anwendungen für „tanzende“ Nanodrähte

Moderne elektronische Geräte verwenden ein ständig wachsendes Materialportfolio, um die Rechenleistung und Datenkapazität zu verbessern und neue Funktionalitäten zu implementieren. Abgewinkelte oder geknickte Nanodrähte könnten das Materialrepertoire erweitern, insbesondere wenn sie zuverlässig hergestellt werden können. Sie könnten als Verbindungen nützlich sein, wenn ein Gerät eine elektrische Verbindung zwischen verschiedenen Komponenten in einem Stromkreis benötigt. Sie können neue Arten von IoT-Sensoren ermöglichen oder als Sonden verwendet werden. Zum Beispiel könnte eine V-förmige Sonde in eine lebende Zelle gestochen werden, um die winzigen elektrischen Signale einer Zelle zu überwachen. Auch andere Nanodrähte in Form der Buchstaben „T“ oder „X“ haben interessante Anwendungen. Das Platzieren dieser „Buchstaben“ in einem Magnetfeld und das Messen des Stromflusses durch Anlegen von Spannungen an verschiedene Beine können helfen, grundlegende Theorien der Physik zu testen. Diese Theorien sind abstrus, weil sie das Verhalten spezieller Anregungen in halbleitenden Materialien regeln. Aber sie werden vielleicht auch praktisch relevant sein:Die Anregungen könnten die Möglichkeit bieten, Informationen in Quantencomputern so zu speichern, dass einige der Einschränkungen aktueller Designs umgangen werden. Nanodrähte, die mit tanzenden, sich ausdehnenden Tröpfchen wachsen, können der erste Schritt auf diesem Weg sein.

Das Ultrahochvakuum-Elektronenmikroskop in 360 Grad