En ny metod för att odla nanotrådar lovar ett nytt sätt att kontrollera deras ljusavgivande och elektroniska egenskaper. I ett färskt nummer av Nanobokstäver , forskare från det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) demonstrerade en ny tillväxtteknik som använder speciellt framtagna katalysatorer. Dessa katalysatorer, som är föregångare till att odla nanotrådarna, har gett forskare fler alternativ än någonsin för att ändra färgen på ljusavgivande nanotrådar.

Det nya tillvägagångssättet skulle potentiellt kunna tillämpas på en mängd olika material och användas för att tillverka nästa generations enheter som solceller, lysdioder, högeffektselektronik och mer, säger Shaul Aloni, personalforskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry, en DOE-användaranläggning, och huvudförfattare på studien.

Sedan början av 2000-talet, forskare har gjort stadiga framsteg i att odla nanotrådar. Initialt, tidiga nanotrådsprover liknade "trassliga nudlar eller skogsbränder härjade, " enligt forskarna. På senare tid, Forskare har funnit att olika tillstånd leder till tillväxten av mer ordnade nanotrådar.

Till exempel, vissa substrat som nanotrådarna växer på skapar förutsättningar så att nanotrådens tillväxtorientering dikteras av substratets underliggande kristallstruktur. Tyvärr, Detta och andra tillvägagångssätt har inte varit idiotsäkra och vissa nanotrådar är fortfarande oseriösa.

Dessutom, det finns inget enkelt sätt att odla olika typer av nanotrådar i samma miljö och på samma substrat. Detta skulle vara användbart om du selektivt vill odla nanotrådar med olika elektroniska eller optiska egenskaper i samma batch, till exempel.

"På Molecular Foundry siktar vi på att utveckla nya strategier och lägga till nya verktyg till påsen med knep som används för syntes av nanomaterial, ", säger Aloni. "I åratal sökte vi efter smartare sätt att odla nanostrukturer med olika optiska egenskaper under identiska tillväxtförhållanden. Engineering katalysatorn för oss närmare att uppnå detta mål."

Forskarna fokuserade på nanotrådar gjorda av galliumnitrid. I sin bulkform (icke-nanoskala), galliumnitrid avger ljus i det blå eller ultravioletta området. Om indiumatomer läggs till det, intervallet kan utökas till att omfatta rött, i huvudsak gör den till en brett spektrum avstämbar ljuskälla i det synliga området.

Problemet är att tillsats av indiumatomer sätter kristallstrukturen hos galliumnitrid under stress, vilket leder till dåligt presterande enheter. Galliumnitrid nanotrådar, dock, upplev inte samma sorts kristallspänning, så forskare hoppas kunna använda dem som inställbara, brett spektrum ljuskällor.

För att uppnå sin kontroll, teamet fokuserade på katalysen som styr nanotrådens tillväxt. I vanliga fall, forskare använder katalysatorer gjorda av en enda metall. Berkeley-teamet bestämde sig för att använda metalliska blandningar av guld och nickel, kallade legeringar, som katalysatorer istället.

I studien, forskarna fann att galliumnitrid nanotrådens tillväxtorientering starkt berodde på den relativa koncentrationen av nickel och guld i katalysatorn. Genom att ändra koncentrationerna i legeringen, forskarna kunde exakt manipulera, även på samma substrat i samma sats, orienteringen av nanotrådarna.

"Ingen hade använt bimetalliska katalysatorer för att kontrollera tillväxtriktningen tidigare, " säger Tevye Kuykendall, forskare vid Berkeley Labs Molecular Foundry. Kuykendall säger att mekanismen som driver den nya tillväxtprocessen inte är helt förstådd, men det involverar de olika tendenserna hos guld och nickel att komma i linje med olika kristallografiska ytor där nanotrådar börjar växa.

Forskarna visade också att beroende på den valda tillväxtriktningen, olika optiska egenskaper observerades tack vare kristallytorna som exponerades vid nanotrådens yta. "En av de saker som gör nanostrukturer intressanta, är att ytan spelar en större roll för att definiera materialets egenskaper, " säger Aloni. Detta leder till förändringar i optiska egenskaper som inte syns i material med större bulk, gör dem mer användbara.

Aloni säger att laget kommer att fokusera mer på kemin hos de olika nanotrådsytorna för att ytterligare skräddarsy nanotrådens optiska egenskaper.