(PhysOrg.com) -- Halvledarnanotrådar är viktiga material i utvecklingen av billigare och effektivare solceller, samt batterier med högre lagringskapacitet. Dessutom, de är viktiga byggstenar inom nanoelektronik. Dock, tillverkning av halvledar nanotrådar i industriell skala är mycket dyrt. Den främsta anledningen till detta är de höga temperaturerna vid vilka de produceras (600−900 C), samt användningen av dyra katalysatorer, såsom guld. Forskare vid Max Planck Institute for Intelligent Systems i Stuttgart, tidigare Max Planck Institute for Metals Research, har nu kunnat producera kristallina halvledarnano-trådar vid en mycket lägre temperatur (150 C) med hjälp av billiga katalysatorer, såsom aluminium. På det här sättet, nanostrukturerade halvledare kan till och med avsättas direkt på värmekänsliga plastsubstrat.

Nanotrådar gjorda av halvledare som kisel (Si) eller germanium (Ge) kommer att vara oumbärliga för många tekniska tillämpningar i framtiden. Tills nu, de har tillverkats med en process som beskrevs första gången 1964. Den så kallade vapour-liquid-solid (VLS)-mekanismen använder små partiklar av metallkatalysatorer som frön för tillväxten av nanotrådarna. Metallfröna avsätts på ett fast substrat, smält och exponeras för en gasatmosfär som innehåller kisel eller germanium. Metalldropparna tar sedan upp halvledaratomer från gasen tills de är övermättade, och överskottet av halvledarmaterial fälls ut vid gränsen till substratet:en nanotråd växer. I de flesta fallen, guld används som katalysator, eftersom det kan lösa upp mycket kisel eller germanium när det är smält. Användningen av denna dyra katalysator och den höga bearbetningstemperaturen på 600 till 900 ºC bly, dock, till höga produktionskostnader.

Materialforskare från Eric Mittemeijers avdelning vid Max Planck Institute for Intelligent Systems har nu upptäckt en metod för att producera halvledarnanotrådar vid en slående lägre temperatur på endast 150 C, samtidigt som billiga katalysatorer som aluminium används. Tillsammans med kollegor från Stuttgart Center for Electron Microscopy, en forskningsanläggning vid samma institut, forskarna har lyckats observera nanotrådstillväxt i atomär skala i realtid.

För detta ändamål, forskarna förberedde ett dubbelskikt av kristallint aluminium och amorft kisel. Skiktet framställdes i vakuum och vid rumstemperatur med användning av termisk indunstning. Medan atomerna är oordnade i den amorfa kiselfasen, de är ordnade i ett ordnat kristallint gitter i aluminiumskiktet. Faktiskt, Al-skiktet består av miljarder små aluminiumkristaller, var och en av dem är så små som cirka 50 nanometer. Kristallkornen är i tät kontakt med varandra. Deras gränser bildar alltså ett tvådimensionellt korngränsnätverk inom aluminiumskiktet.

Med hjälp av analytisk transmissionselektronmikroskopi, forskarna kunde direkt observera att kiselatomer börjar strömma från kiselskiktet in i aluminiumkatalysatorn vid en temperatur så låg som 120 °C. Vid så låga temperaturer, aluminiumkatalysatorn är fast och kan inte lösa upp några kiselatomer. Mikroskopiska undersökningar visar att kiselatomerna istället ryms vid gränserna mellan aluminiumkristallerna. När fler och fler kiselatomer samlas vid aluminiumkorngränserna, de omstruktureras till små kristallina nanotrådar, eftersom detta minskar den totala energin i systemet. Detta producerar ett nätverk av kristallina nanotrådar, vars mönster bestäms exakt av korngränsnätverket av aluminium. Så tunna trådar som 15 nanometer kan alltså produceras.

Uppenbarligen skiljer sig tillväxtmekanismen för nanotrådar som upptäckts av materialforskarna i Stuttgart fundamentalt från den konventionella VLS-tillväxtmekanismen. Mest slående, den nya tillväxtmetoden kräver inte halvledarlöslighet i metallkatalysatorn och kan därför realiseras vid låga temperaturer (150 °C), samtidigt som billiga katalysatorer som aluminium används.

De stora fördelarna med den nya metoden är därför att den inte kräver höga substrattemperaturer eller dyra katalysatorer. Dessutom, materialforskare kan skräddarsy storleken på aluminiumkornen och därigenom formen på aluminiumkorngränsnätet, för att producera det önskade mönstret av nanotrådar av kisel. Al-katalysatorn kan lätt avlägsnas genom selektiv etsning. Eftersom aluminiumfilmer har använts i mikroelektronik i decennier, deras produktion och bearbetning är allmänt etablerad. Andra katalysatorer kan också vara lämpliga för metoden. En annan fördel är att nanostrukturerade silikonenheter kan odlas direkt på de flesta plastsubstrat, även om de är värmekänsliga.