Materialforskare förväntar sig att de nya multifunktionella egenskaperna hos hybrid nanostrukturer kommer att förändra utvecklingen av högpresterande enheter, inklusive batterier, högkänsliga sensorer och solceller. Dessa självmonterande nanostrukturer genereras vanligtvis genom att deponera ultrasmå föremål med olika egenskaper på ytorna av små halvledande ledningar. Dock, de faktorer som styr deras bildning förblir svårfångade, gör dessa strukturer svåra att kontrollera och designa.

För att fylla detta tomrum, Bharathi Srinivasan och medarbetare från A*STAR Institute of High Performance Computing har utvecklat en beräkningsmetod som belyser självmonteringen av dessa nanostrukturer på flersidiga, eller polygonal, nanotrådar. De identifierade först hur olika nanostrukturmönster växer på nanotrådar genom att utföra energiberäkningar i en teoretisk analys innan de analyserade dessa mönster genom att utföra numeriska simuleringar.

Srinivasans team designade två- och tredimensionella (2D och 3D) modeller av nanotrådar med en kvadrat, sexkantig eller åttkantig kärna omgiven av olika skalkonfigurationer. Analys av energiprofilerna för dessa konfigurationer visade att forskarna kunde kontrollera skalmorfologin genom att ändra kärnans storlek. Den teoretiska analysen avslöjade också övergångarna mellan dessa olika konfigurationer - en värdefull inblick i mekanismen för självmontering.

För den numeriska simuleringen, forskarna konstruerade en "fasfältsmodell", som matematiskt definierade fasövergångarna för skalmaterialet. Detta gjorde det möjligt för dem att simulera självmonteringsprocessen av nanostrukturerna på nanotrådarna efter att ha deponerat "fröet" i form av "kvantprickar", som är miniatyrhalvledare. Ekvationerna som används i simuleringen beskriver både termodynamiken och kinetiken för självmontering, Srinivasan noterar.

Både 2D- och 3D-simuleringarna visade att de deponerade skalen genomgick morfologiska transformationer som speglade energiberäkningarna. I det inledande deponeringsstadiet - det lägsta storleksintervallet - bestod skalen av perfekta cylindrar i 2D-modellen, och de bildade ultrasmå ringar, eller 'nanorings', staplade längs nanotrådens vertikala riktning, i 3D-modellen.

När kärnan expanderade, 2D-modellerna indikerade att skalen kunde gå sönder i mindre trådar. För de medelstora kärnorna, varje tråd satt på sidorna av kärnan. För de största kärnorna, de satt på hörnen. I 3D-simuleringarna, nanoreringarna uppdelade i kvantprickar som materialiserades till kolumner på nanotrådsfasetterna och migrerade mot åsarna vid ytterligare tillväxt (se bild). Simuleringar av värmebehandling gav samma konfigurationer som de under tillväxt.

"Vårt framtida arbete [kommer att] vara att förstå tillväxten av olika hybrid nanostrukturer, inklusive kvantprickar på skal, nanoreringar och andra kvantprickar, säger Srinivasan.