Högupplöst bild av kristallstrukturen i en InAs nanotråd fotograferad med ett elektronmikroskop. Det minsta avståndet mellan indium- och arsenatomerna som ses på bilden (illustrerat med grönt och grått), är 15 miljoner av en millimeter. Nanotråden odlas i pilens riktning. Under tillväxten ändras kristallstrukturen i nanotråden från att vara sexkantig (WZ) till kubisk (ZB). Från kristallorienteringen som ses på bilden, den sexkantiga strukturen kännetecknas av riktningen från indium till arsenatomer förändras från lager till lager, medan riktningen för den kubiska strukturen alltid är densamma.
Ny insikt om varför och hur nanotrådar tar den form de gör kommer att få djupa konsekvenser för utvecklingen av framtida elektroniska komponenter. Doktorand Peter Krogstrup från Nano-Science Center vid Niels Bohr Institute, Köpenhamns universitet ligger bakom den sensationella nya teoretiska modellen, som utvecklas i samarbete med forskare från CINAM-CNRS i Marseille. Resultaten har publicerats i den vetenskapliga tidningen, Fysiska granskningsbrev .
En av de viktigaste komponenterna i framtida elektroniska enheter kommer sannolikt att baseras på nanokristaller, som är mindre än våglängden för det ljus våra ögon kan upptäcka. Nanotrådar, som är extremt tunna nanokristalltrådar, spås ha en dominerande roll i dessa teknologier på grund av deras unika elektriska och optiska egenskaper. Forskare runt om i världen har arbetat i flera år för att förbättra egenskaperna hos dessa nanotrådar.
Med sin forskning, Doktorand Peter Krogstrup vid Niels Bohr Institute, Köpenhamns universitet har lagt grunden för en större förståelse av nanotrådar. Med det kommer potentialen att förbättra deras prestanda, vilket kommer att föra forskningen närmare tillämpning i utvecklingen av solceller och datorer. I den senaste upplagan av Physical Review Letters beskriver han hur, under vissa förutsättningar, nanotrådar bildar en kristallstruktur som verkligen inte borde vara möjlig, sett ur ett energiperspektiv.
"Kristaller kommer alltid att försöka anta den form där deras inre energi är så liten som möjligt. Det är en grundläggande fysiklag och enligt den bör dessa nanotrådar ha en kubisk kristallstruktur, men vi ser nästan alltid att en stor del av strukturen är sexkantig ", förklarar Peter Krogstrup, som har arbetat med teorin de senaste åren.
Katalysatorpartikelform är nyckeln
För att förklara varför och när dessa kristaller blir sexkantiga, Peter Krogstrup har, som en del av sin doktorsavhandling, undersökte katalysatorpartikelns form (en liten nanodropp), som styr tillväxten av nanotrådarna. Det verkar som om droppens form beror på mängden atomer från grupp 3 i det periodiska systemet, som utgör hälften av atomerna i nanotrådkristallen. Den andra halvan, atomer från grupp 5 i det periodiska systemet, absorberas av droppen och därför organiseras atomerna i ett galler, och nanotrådskristallen kommer att växa.
"Vi har visat att det är droppens form, som avgör vilken typ av kristallstruktur nanotrådarna får och med denna kunskap blir det lättare att förbättra egenskaperna hos nanotrådarna ", förklarar Peter Krogstrup och fortsätter:
"Kristallstrukturen har ett enormt inflytande på nanotrådarnas elektriska och optiska egenskaper och du skulle vanligtvis vilja att de skulle ha en viss struktur, antingen kubisk eller sexkantig. Ju bättre nanotrådar vi kan göra desto bättre elektroniska komponenter kan vi göra till fördel för oss alla ", säger Peter Krogstrup, vars forskning bedrivs i samarbete med företaget SunFlake A/S, som ligger vid Nano-Science Center vid Niels Bohr Institute, Köpenhamns universitet. Företaget arbetar med att utveckla framtidens solceller baserade på nanotrådar.
