Galliumnitridnanotrådarna som odlas av PML -forskare kan bara vara några tiondelar av en mikrometer i diameter, men de lovar ett mycket brett spektrum av applikationer, från nya ljusdioder och diodlasrar till ultrasmå resonatorer, kemiska sensorer, och mycket känsliga atomprobespetsar.

Under de två decennierna sedan GaN först användes i en kommersiellt gångbar LED, inleder en bländande framtid för lågeffektsbelysning och högeffekttransistorer, III-V-halvledaren har producerats och undersökts på många sätt, i både tunnfilm och nanotråd.

På PML:s Quantum Electronics and Photonics Division i Boulder, CO, mycket av de senaste ansträngningarna har ägnats åt att växa och karakterisera GaN-nanotrådar av extremt hög kvalitet-"några av de bästa, om inte det bästa, i världen, "säger Norman Sanford, medledare för projektet Semiconductor Metrology for Energy Conversion.

GaN avger ljus när hål och elektroner rekombineras vid en korsning som skapas genom att dopa kristallen för att skapa regioner av p-typ och n-typ. Dessa lager bildas med en mängd olika avsättningsmetoder, typiskt på ett safir- eller kiselkarbidsubstrat. Konventionella metoder ger kristaller med relativt höga defektdensiteter. Tyvärr, defekter i gallret begränsar ljusutsläpp, introducera signalbrus, och leda till tidigt enhetsfel.

Boulder -teamet, däremot, växer praktiskt taget defektfria sexkantiga GaN-nanotrådar mycket långsamt från en kiselbas. Deras deponeringsmetod är molekylär stråleepitaxi (MBE) som gör att nanotrådarna kan bildas spontant utan användning av katalysatorpartiklar. Även om katalysatorpartiklar används i stor utsträckning för nanotrådstillväxt, de lämnar efter sig spårämnen som kan bryta ner GaN. Det tar två till tre dagar för strukturerna att nå en längd på cirka 10 mikrometer (ungefär en tiondel av tjockleken på ett människohår), men väntan lönar sig eftersom kristallstrukturen är nästan perfekt.

Bland andra fördelar, felfria kristaller ger mer ljus. "Nu, för första gången, elektroluminescensen från en enda GaN nanotråd -LED är tillräckligt ljus för att vi kan mäta dess spektrum och spåra spektrumet med drivström för att se tecken på uppvärmning, "säger projektledare Kris Bertness." Det finns inga andra exempel på elektroluminescensspektra från en enda MBE-odlad GaN-nanotråd i litteraturen. "

GaN och dess relaterade legeringssystem (inklusive halvledare innehållande indium och aluminium) utgör grunden för den snabbt växande halvledarljusindustrin. Det kan gå snabbare, experter tror, om industrin kunde utveckla en ekonomisk metod för att odla material med låg defektdensitet.

"Konventionella GaN-baserade lysdioder som odlas på kostnadseffektiva men icke-gittermatchade underlag (som safir) lider av oundvikliga belastningar och defekter som äventyrar effektiviteten, "Säger Sanford." Dessutom ljusuttag från konventionella plana (platta) LED -strukturer hindras av total inre reflektion vilket resulterar i bortkastade fotoner som fastnar i enheten snarare än att stråla utåt som användbart ljus. "

GaN nanowire LED -teknik erbjuder betydande förbättringar eftersom trådarna växer i huvudsak utan belastning och defekter och därmed bör möjliggöra grundläggande effektivare enheter. Vidare, morfologin som tillhandahålls av en "skog" av tätt uppsatta nanotråd-lysdioder erbjuder förbättringar i ljusutdragningseffektiviteten hos dessa strukturer jämfört med deras plana motsvarigheter.

Testa och mäta de och andra egenskaper, dock, ställer stora utmaningar. "GaN av P-typ är svår att växa med någon vanlig tillväxtmetod, "Bertness säger." Och det som visar sig vara väldigt svårt är att få bra elektriska kontakter till nanotråden, för den är inte platt, och dess tjocklek är större än de flesta metallfilmer som används för att komma i kontakt med plana filmer.

"Denna 3D -geometri uppmuntrar till tomrumsbildning och fångst av kemiska föroreningar nära kontakterna, som båda försämrar kontakten, ibland till den grad att vara oanvändbar. Det här är ett område vi undersöker aktivt. "

Teamet tittar på sätt att odla nanotrådar i vanliga matriser, med noggrann kontroll av avståndet och dimensionerna för varje enskild tråd. Nyligen fann de att genom att skapa ett rutliknande mönster av öppningar i storleksordningen 200 nanometer breda i ett kiselnitrid "maskskikt" placerat över substratet, de kunde uppnå selektiv tillväxt av mycket vanliga trådar. Möjligheten att producera ordnade mönster av enhetliga GaN -enheter, Bertness säger, "är avgörande för tillförlitlig tillverkning."

GaN är inte bara en ljuskälla. Det har också flera användningsområden inom olika fält. "En annan trevlig sak med GaN är att den är okänslig för höga temperaturer, "säger Robert Hickernell, ledare för Optoelectronic Manufacturing Group, som inkluderar projektet Semiconductor Metrology. "Det är en fördel för applikationer med hög elektrisk effekt." Gruppen studerar också nanotrådsfälteffekttransistorer (FET) för att exakt mäta bärartransportegenskaper. "Och vi har GaN nanowire FET som är några av de bästa forskningsutrustningarna i världen."

Dessutom, GaN nanotrådar är mekaniskt robusta. Mycket robust:För fyra år sedan, ett PML-University of Colorado-samarbete gjorde rubriker genom att producera nanotrådar med utomordentligt höga kvalitetsfaktorer som gör dem till potentiellt utmärkta oscillatorer. "I en avlägsen framtid, "Hickernell säger, "de kan användas i mobiltelefonapplikationer som mikroresonatorer."

Kombinationen av hög mekanisk kvalitetsfaktor och liten massa gör dem också i stånd att detektera massor i subattogrammet. PML -medarbetare vid University of Colorado är övertygade om att de kan extrapolera de nuvarande experimenten till ungefär 0,01 attogram, eller 10 zeptograms känslighet. (För jämförelse, massan av ett virus är i storleksordningen 1 attogram, eller 10-18 gram.) Inga direkta mätningar har ännu gjorts i den skalan.

Tidigare i år, Tålamod, Sanford och CU -samarbetspartners använde GaNs inhemska piezoresistans för att mäta frekvenssvar i nanotrådar som sträckte sig över ett 10 mikrometer gap. Resultaten visade att enheterna hade "omedelbar nytta i högupplösta mass- och kraftavkännande applikationer, "skrev forskarna i sin publicerade rapport.

Teamet tror att det är möjligt att göra "en ny klass av elektriskt adresserbara multifunktionsskanningsverktyg, "Bertness förklarar." Till exempel, konventionell NSOM förlitar sig på en skannande optisk spets med en bländardiameter i intervallet 10 till 100 nanometer som bildas vid den avsmalnande änden av en passiv optisk fiber. Dessa tips är mekaniskt och kemiskt ömtåliga och har en mycket kort livslängd - timmar till dagar. Å andra sidan, GaN-nanotrådbaserade NSOM-verktyg kan eventuellt erbjuda elektrisk adresserbar multifunktionsoperation som kombinerar optisk emission, optisk detektion, AFM- och RF-AFM-funktion. "

Till sist, GaN nanotrådar är också väl lämpade för användning i kemiska, biologisk, och gasavkänning. Pågående samarbete mellan teamet och NIST:s Materialmätningslaboratorium ger intressanta resultat med GaN -nanotrådar som används tillsammans med nanokluster av titandioxid för att detektera aromatiska föreningar som bensen och toluen. "Dessutom, vårt projekt har gjort några preliminära (publicerade) arbeten med GaN -nanotrådar som är funktionaliserade för biologiska molekyler, "Sanford säger." Olika andra grupper runt om i världen driver liknande sensorteknologi med hjälp av GaN -nanotrådstommar. "