Forskare har utvecklat en ny metod för att odla "hybrid" kristaller i nanoskala, där kvantprickar – i huvudsak halvledare i nanoskala – av olika material kan integreras sekventiellt i en värdnanotråd med perfekta kopplingar mellan komponenterna.

En ny metod för att självmontera och skräddarsy komplexa strukturer i nanoskala, utvecklat av ett internationellt samarbete ledd av University of Cambridge och IBM, öppnar möjligheter att skräddarsy egenskaper och funktionalitet hos material för ett brett utbud av applikationer för halvledarenheter.

Forskarna har utvecklat en metod för att odla kombinationer av olika material i en nålformad kristall som kallas nanotråd. Nanotrådar är små strukturer, bara några miljarddels meter i diameter. Halvledare kan odlas till nanotrådar, och resultatet är en användbar byggsten för elektriska, optisk, och energiinsamlingsanordningar. Forskarna har tagit reda på hur man odlar mindre kristaller i nanotråden, bildar en struktur som en kristallstav med en inbäddad mängd ädelstenar. Detaljer om den nya metoden publiceras i tidskriften Naturmaterial .

"Nyckeln till att bygga funktionella enheter i nanoskala är att kontrollera material och deras gränssnitt på atomnivå, " sa Dr Stephan Hofmann vid Institutionen för teknik, en av tidningens seniora författare. "Vi har utvecklat en metod för att konstruera inneslutningar av olika material så att vi kan göra komplexa strukturer på ett mycket exakt sätt."

Nanotrådar odlas ofta genom en process som kallas Vapour-Liquid-Solid (VLS) syntes, där en liten katalytisk droppe används för att så och mata nanotråden, så att den självmonterar ett atomlager åt gången. VLS tillåter en hög grad av kontroll över den resulterande nanotråden:sammansättning, diameter, tillväxtriktning, förgrening, kinking och kristallstruktur kan kontrolleras genom att ställa in villkoren för självmontering. När nanotrådarna blir bättre kontrollerade, nya tillämpningar blir möjliga.

Tekniken som Hofmann och hans kollegor från Cambridge och IBM utvecklade kan ses som en expansion av konceptet som ligger till grund för konventionell VLS-tillväxt. Forskarna använder den katalytiska droppen inte bara för att odla nanotråden, men också att bilda nya material inom den. Dessa små kristaller bildas i vätskan, men senare fäster den vid nanotråden och blir sedan inbäddad när nanotråden växer ytterligare. Denna katalysatormedierade dockningsprocess kan "självoptimera" för att skapa mycket perfekta gränssnitt för de inbäddade kristallerna.

För att reda ut komplexiteten i denna process, forskargruppen använde två skräddarsydda elektronmikroskop, en vid IBM:s TJ Watson Research Center och en andra vid Brookhaven National Laboratory. Detta gjorde det möjligt för dem att spela in höghastighetsfilmer av nanotrådens tillväxt när det händer atom för atom. Forskarna fann att användningen av katalysatorn som en "blandningsskål", med ordningen och mängden av varje ingrediens programmerad i ett önskat recept, resulterade i komplexa strukturer bestående av nanotrådar med inbäddade kristaller i nanoskala, eller kvantprickar, av kontrollerad storlek och position.

"Tekniken gör att två olika material kan införlivas i samma nanotråd, även om gitterstrukturerna för de två kristallerna inte matchar perfekt, ", sa Hofmann. "Det är en flexibel plattform som kan användas för olika teknologier."

Möjliga tillämpningar för denna teknik sträcker sig från atomiskt perfekta nedgrävda sammankopplingar till enelektrontransistorer, högdensitetsminnen, ljusemission, halvledarlasrar, och tunneldioder, tillsammans med förmågan att konstruera tredimensionella enhetsstrukturer.

"Denna process har gjort det möjligt för oss att förstå beteendet hos material i nanoskala i oöverträffad detalj, och den kunskapen kan nu appliceras på andra processer, sa Hofmann.