När halvledarnanotrådar framstår som oumbärliga byggstenar för nästa generations elektroniska, energiomvandling, och fotoniska enheter (d.v.s. solpaneler, lasrar), bättre förståelse för hur man styr nanotrådstillväxt är avgörande, enligt Georgia Tech forskare.
Många storleksordningar mindre än hushållsledningar, nanotrådar kan tillverkas av en mängd olika halvledande material inklusive germanium och kisel.
I åratal, syntesen av nanotrådar har varit något mystisk, kräver att forskare experimenterar med reaktorinställningar, modulering av temperatur och tryck, för att se vad som fungerar bäst – en långsam, mödosam process av försök och misstag. "Det har varit som att laga något i ugnen utan att någonsin kunna titta in förrän det är klart timmar senare, " förklarar Michael Filler, docent vid Georgia Techs School of Chemical &Biomolecular Engineering.
Dock, ett team som arbetar i Filler Laboratory har fått oöverträffad insikt i nanotrådens tillväxtprocess genom användning av infraröd spektroskopi i realtid. De fann att ytarter, specifikt väteatomer och metylgrupper, dekorerar nanotrådens yta och är avgörande för en stabil tillväxt av nanotrådar gjorda av germanium.
Enligt studiens resultat, utan närvaro av väte och metyl som adsorberar (eller vidhäftar) till nanotrådens sidoväggar, vätskedroppen som sitter ovanpå nanotråden kan glida, får tillväxten att upphöra. "Dessa ytarter, väte och metylmolekyler, agera som ett lager av Rain-X, hålla droppen på plats, "Filler förklarar.
"Vårt arbete visar att utan dessa ytadsorbater, tillväxt sker inte. Ingen visste det innan, säger Filler, vars forskarlag publicerade sina iakttagelser i ett nytt nummer av Journal of the American Chemical Society . "Så länge som forskare har använt denna tillväxtmetod - mer än fem decennier - visste vi inte att något fanns på trådytan."
Nu när forskarvärlden är medveten om denna nyckelaspekt av nanotrådssyntes, forskare kommer att kunna designa processer och föregångare till att koreografera nanotrådstillväxt bättre, säger Filler. När hinder för produktion av nanotrådar övervinns, de kan tillverkas på en större försäljning och inkorporeras i kommersiella produkter.
"Den grundläggande kemiska kunskapen som tillhandahålls i vår studie lovar att främja den rationella syntetiska designen av nanotrådsstruktur och funktion, " säger Filler.
Med titeln "Direkt observation av transienta ytarter under Ge Nanowire-tillväxt och deras inflytande på tillväxtstabilitet, " studien leddes av Saujan V. Siveram (PhD 2015) som samarbetade med Filler, Naechul Shin (PhD 2013), och Li-Wei Chou, en tidigare postdoktor vid Georgia Tech.
Filler säger att deras experiment ger insikt i, och föreslå möjliga lösningar för, långvariga utmaningar med att välja material som katalyserar nanotrådens tillväxtprocess; leverans av föroreningar (t.ex. fosfor, bor) som påverkar elektrisk ledning; och bildandet av heterostrukturer på eller inom nanotrådar, möjliggör bättre och möjligen nya kombinationer av material.
