Schematisk framställning av fassegregerade InGaA/InAs nanotrådar som odlas på grafen och enfas InGaAs nanotrådar som odlas på ett annat substrat. Upphovsman:Parsian Mohseni
(Phys.org) - När ett team av ingenjörer från University of Illinois bestämde sig för att odla nanotrådar av en sammansatt halvledare ovanpå ett ark grafen, de förväntade sig inte att upptäcka ett nytt paradigm av epitaxy.
De självmonterade trådarna har en kärna av en komposition och ett yttre lager av en annan, en önskad egenskap för många avancerade elektronikapplikationer. Under ledning av professor Xiuling Li, i samarbete med professorerna Eric Pop och Joseph Lyding, alla professorer i el- och datateknik, laget publicerade sina fynd i tidskriften Nano bokstäver .
Nanotrådar, små strängar av halvledarmaterial, har stor potential för applikationer i transistorer, solceller, lasrar, sensorer och mer.
"Nanotrådar är verkligen de viktigaste byggstenarna för framtida nano-enheter, "sa postdoktor Parsian Mohseni, första författaren till studien. "Nanotrådar är komponenter som kan användas, baserat på vilket material du odlar dem ur, för alla funktionella elektronikapplikationer. "
Lis grupp använder en metod som kallas van der Waals epitaxy för att odla nanotrådar från botten upp på ett plant underlag av halvledarmaterial, såsom kisel. Nanotrådarna är gjorda av en klass av material som kallas III-V (tre-fem), sammansatta halvledare som har särskilt löfte för applikationer som involverar ljus, som solceller eller lasrar.
En falskfärgad mikroskopbild av en enda nanotråd, visar InAs -kärnan och InGaAs -skalet. Upphovsman:Parsian Mohseni
Gruppen rapporterade tidigare växande III-V nanotrådar på kisel. Medan kisel är det mest använda materialet i enheter, den har ett antal brister. Nu, gruppen har odlat nanotrådar av materialet indium gallium arsenid (InGaAs) på ett ark grafen, ett 1-atom-tjockt kolark med exceptionella fysiska och ledande egenskaper.
Tack vare dess tunnhet, grafen är flexibel, medan kisel är styvt och sprött. Det leder också som en metall, möjliggör direkt elektrisk kontakt med nanotrådarna. Vidare, det är billigt, flagnas av från ett block av grafit eller odlas från kolgaser.
"En av anledningarna till att vi vill växa på grafen är att hålla sig borta från tjocka och dyra underlag, "Sade Mohseni." Ungefär 80 procent av tillverkningskostnaden för en konventionell solcell kommer från själva underlaget. Vi har gjort bort det genom att bara använda grafen. Det finns inte bara inneboende kostnadsfördelar, Vi introducerar också funktioner som ett vanligt substrat inte har. "
Forskarna pumpar gaser som innehåller gallium, indium och arsenik i en kammare med ett grafenark. Nanotrådarna monteras själv, växer av sig själva till en tät matta av vertikala trådar över grafenens yta. Andra grupper har odlat nanotrådar på grafen med sammansatta halvledare som bara har två element, men genom att använda tre element, Illinois -gruppen gjorde ett unikt fynd:InGaAs -trådarna som odlats på grafen segregerar spontant till en indiumarsenidkärna (InAs) med ett InGaAs -skal runt utsidan av tråden.
"Det här är oväntat, "Sade Li." Många enheter kräver en core-shell-arkitektur. Normalt växer du kärnan i ett tillväxtförhållande och ändrar förhållanden för att odla skalet på utsidan. Detta är spontant, gjort i ett steg. Den andra goda saken är att eftersom det är en spontan segregation, det ger ett perfekt gränssnitt. "
Så vad orsakar denna spontana core-shell-struktur? Av en slump, avståndet mellan atomer i en kristall av InAs är nästan detsamma som avståndet mellan hela antal kolatomer i ett ark grafen. Så, när gaserna ledas in i kammaren och materialet börjar kristallisera, InAs sätter sig på plats på grafen, en nästan perfekt passform, medan galliumföreningen sätter sig på trådarnas utsida. Detta var oväntat, för normalt, med van der Waals epitaxy, respektive kristallstrukturer för materialet och substratet är inte tänkt att spela någon roll.
"Vi förväntade oss inte det, men när vi väl såg det, det var vettigt, "Sa Mohseni.
Dessutom, genom att ställa in förhållandet mellan gallium och indium i halvledarkocktailen, forskarna kan justera de optiska och ledande egenskaperna hos nanotrådarna.
Nästa, Lis grupp planerar att tillverka solceller och andra optoelektroniska enheter med sina grafenodlade nanotrådar. Tack vare både trådarnas ternära sammansättning och grafens flexibilitet och konduktivitet, Li hoppas kunna integrera trådarna i ett brett spektrum av applikationer.
"Vi upptäckte i princip ett nytt fenomen som bekräftar att registret räknas i van der Waals epitaxy, "Sa Li.
