Nanotrådar - mikroskopiska fibrer som kan "odlas" i labbet - är ett hett forskningsämne idag, med en mängd olika potentiella tillämpningar, inklusive lysdioder (LED) och sensorer. Nu, ett team av MIT-forskare har hittat ett sätt att exakt kontrollera bredden och sammansättningen av dessa små trådar när de växer, vilket gör det möjligt att odla komplexa strukturer som är optimalt utformade för särskilda applikationer.

Resultaten beskrivs i en ny artikel författad av MIT biträdande professor i materialvetenskap och teknik Silvija Gradečak och hennes team, publiceras i tidskriften Nanobokstäver .

Nanotrådar har varit av stort intresse eftersom strukturer med så små dimensioner - vanligtvis bara några tiotals nanometer, eller miljarddels meter, i diameter — kan ha mycket andra egenskaper än samma material har i sin större form. Det beror delvis på att i så små skalor, kvantinneslutningseffekter – baserade på beteendet hos elektroner och fononer i materialet – börjar spela en betydande roll i materialets beteende, som kan påverka hur den leder el och värme eller interagerar med ljus.

Dessutom, eftersom nanotrådar har en särskilt stor yta i förhållande till volymen, de är särskilt väl lämpade för användning som sensorer, säger Gradečak.

Hennes team kunde kontrollera och variera både storleken och sammansättningen av enskilda trådar när de växte. Nanotrådar odlas med hjälp av "frö"-partiklar, metallnanopartiklar som bestämmer storleken och sammansättningen av nanotråden. Genom att justera mängden gaser som används för att odla nanotrådarna, Gradečak och hennes team kunde kontrollera storleken och sammansättningen av fröpartiklarna och, därför, nanotrådarna när de växte. "Vi kan kontrollera båda dessa fastigheter samtidigt, " hon säger. Medan forskarna utförde sina experiment med nanotrådtillväxt med indiumnitrid och indiumgalliumnitrid, de säger att samma teknik kan tillämpas på en mängd olika material.

Dessa nanotrådar är alldeles för små för att se med blotta ögat, men teamet kunde observera dem med elektronmikroskopi, göra justeringar av tillväxtprocessen baserat på vad de lärt sig om tillväxtmönstren. Med hjälp av en process som kallas elektrontomografi, de kunde rekonstruera den tredimensionella formen av individuella nanoskala trådar. I en relaterad studie som nyligen publicerades i tidskriften Nanoskala , teamet använde också en unik elektronmikroskopiteknik som kallas katodoluminescens för att observera vilka våglängder av ljus som emitteras från olika regioner av individuella nanotrådar.

Exakt strukturerade nanotrådar skulle kunna underlätta en ny generation av halvledarenheter, säger Gradečak. Sådan kontroll av nanotrådsgeometri och sammansättning skulle kunna möjliggöra enheter med bättre funktionalitet än konventionella tunnfilmsenheter gjorda av samma material, hon säger.

En trolig tillämpning av materialen som utvecklats av Gradečak och hennes team är LED-lampor, som har betydligt större hållbarhet och är mer energieffektiva än andra belysningsalternativ. De viktigaste ljusfärgerna att producera från lysdioder är i det blå och ultravioletta området; zinkoxid och galliumnitrid nanotrådar producerade av MIT-gruppen kan potentiellt producera dessa färger mycket effektivt och till låg kostnad, hon säger.

Medan LED-lampor finns tillgängliga idag, de är relativt dyra. "För vardagliga applikationer, den höga kostnaden är en barriär, ” säger Gradečak. En stor fördel med detta nya tillvägagångssätt är att det kan möjliggöra användningen av mycket billigare substratmaterial - en stor del av kostnaden för sådana enheter, som idag vanligtvis använder safir- eller kiselkarbidsubstrat. Nanotrådsenheterna har potential att bli mer effektiva också, hon säger.

Sådana nanotrådar kan också hitta tillämpningar i solenergifångare för billigare solpaneler. Att kunna kontrollera formen och sammansättningen av trådarna när de växer skulle kunna göra det möjligt att producera mycket effektiva samlare:De enskilda trådarna bildar defektfria enkristaller, minska energiförlusten på grund av brister i strukturen hos konventionella solceller. Och genom att kontrollera de exakta dimensionerna på nanotrådarna, det är möjligt att kontrollera vilka våglängder av ljus de är "inställda" till, antingen för att producera ljus i en LED eller för att samla ljus i en solpanel.

Komplexa strukturer gjorda av nanotrådar med varierande diametrar kan också vara användbara i nya termoelektriska enheter för att fånga upp spillvärme och förvandla den till användbar elkraft. Genom att variera trådarnas sammansättning och diameter längs deras längd, det är möjligt att producera ledningar som leder elektricitet bra men värmer dåligt - en kombination som är svår att uppnå i de flesta material, men är nyckeln till effektiva termoelektriska genereringssystem.

Nanotrådarna kan tillverkas med hjälp av verktyg som redan används av halvledarindustrin, så enheterna bör vara relativt lätta att rusta upp för massproduktion, säger laget.

Zhong Lin Wang, Regents' Professor and Hightower Chair in Materials Science and Engineering vid Georgia Institute of Technology, säger att att kunna kontrollera strukturen och sammansättningen av nanotrådar är "viktigt viktigt för att kontrollera deras nanoskala egenskaper. Finjusteringen av tillväxtbeteendet" för dessa material "öppnar möjligheten att tillverka nya optoelektroniska enheter som sannolikt kommer att ha överlägsen prestanda."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.