Filmer gjorda av halvledarnanokristaller - små kristaller som bara mäter några miljarddels meter i diameter - ses som ett lovande nytt material för ett brett spektrum av applikationer. Nanokristaller kan användas i elektroniska eller fotoniska kretsar, detektorer för biomolekyler, eller de glödande pixlarna på högupplösta skärmar. De lovar också effektivare solceller.
Storleken på en halvledarnanokristall bestämmer dess elektriska och optiska egenskaper. Men det är väldigt svårt att kontrollera placeringen av nanokristaller på en yta för att göra strukturellt enhetliga filmer. Typiska nanokristallfilmer har också sprickor som begränsar deras användbarhet och gör det omöjligt att mäta de grundläggande egenskaperna hos dessa material.
Nu, forskare vid MIT säger att de har hittat sätt att göra defektfria mönster av nanokristallfilmer där filmernas form och position styrs med nanoskala upplösning, potentiellt öppna upp ett betydande område för forskning och möjliga nya tillämpningar.
"Vi har försökt förstå hur elektroner rör sig i arrayer av dessa nanokristaller, ” vilket har varit svårt med begränsad kontroll över bildandet av arrayerna, säger fysikern Marc Kastner, Donner professor i vetenskap, dekanus vid MIT:s School of Science och senior författare till en artikel publicerad online i tidskriften Nanobokstäver .
Arbetet bygger på forskning av Moungi Bawendi, Lester Wolfe professor i kemi vid MIT och en medförfattare till denna artikel, som var en av de första forskarna som exakt kontrollerade nanokristallproduktionen. Sådan kontroll gjorde det möjligt, bland annat, att producera material som lyser, eller fluorescera, i en rad olika färger baserat på deras storlekar — även om de alla är gjorda av samma material.
I de inledande faserna av det nya arbetet, postdoc Tamar Mentzel producerade mönster i nanoskala som avger osynligt infrarött ljus. Men att arbeta med sådana system är tråkigt, eftersom varje finjustering måste kontrolleras med tidskrävande elektronmikroskopi. Så när Mentzel lyckades få halvledarnanokristallmönster att lysa med synligt ljus, göra dem synliga genom ett optiskt mikroskop, det innebar att teamet avsevärt kunde påskynda utvecklingen av den nya tekniken. "Även om mönstren i nanoskala ligger under upplösningsgränsen för det optiska mikroskopet, nanokristallerna fungerar som en ljuskälla, gör dem synliga, säger Mentzel.
Den elektriska ledningsförmågan hos forskarnas defektfria filmer är ungefär 180 gånger högre än för de spruckna filmer som tillverkats med konventionella metoder. Dessutom, den process som utvecklats av MIT-teamet har redan gjort det möjligt att skapa mönster på en kiselyta som är bara 30 nanometer i diameter - ungefär lika stor som de finaste egenskaperna som är möjliga med nuvarande tillverkningsteknik.
Processen är unik för att producera så små mönster av defektfria filmer, säger Mentzel. "Knepet var att få filmen att bli enhetlig, och att hålla fast vid kiseldioxidsubstratet, tillägger Kastner. Detta uppnåddes genom att lämna ett tunt lager av polymer för att belägga ytan innan lagret av nanokristaller avsattes ovanpå det. Forskarna gissar att små organiska molekyler på ytan av nanokristallerna hjälper dem att binda till polymerskiktet.
Sådana nanokristallmönster kan ha många tillämpningar, säger Kastner. Eftersom dessa nanokristaller kan ställas in inte bara för att avge utan också för att absorbera ett brett spektrum av ljusfärger, de skulle kunna möjliggöra en ny sorts bredspektrumsolcell, han säger.
Men Kastners och Mentzels personliga intresse har mer att göra med grundläggande fysik:Eftersom de små kristallerna beter sig nästan som överdimensionerade atomer, forskarna siktar på att använda arrayerna för att studera grundläggande processer för fasta ämnen, säger Mentzel. Framgången med denna teknik har redan möjliggjort ny forskning om hur elektroner rör sig i filmerna.
Sådana material kan också användas för att utveckla känsliga detektorer för små mängder av vissa biologiska molekyler, antingen som screeningsystem för toxiner eller som medicinska testanordningar, säger forskarna.
Douglas Natelson, en professor i fysik och astronomi vid Rice University som inte var involverad i detta arbete, säger, "Utmaningen tidigare har varit att uppnå tunna, enhetliga filmer, mönstrad med hög upplösning, med bra kontakt mellan nanokristallerna och ingen sprickbildning.” MIT-teamets tillvägagångssätt, han säger, "medan den är bedrägligt enkel till utseendet, uppnår alla dessa mål."
Natelson tillägger:"Jag tycker att det här är en mycket trevlig prestation. Fluorescensbilderna som visar de nanomönstrade filmerna är iögonfallande, speciellt för dem som vet hur tufft det här är.”
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.
