I nanoworld, små guldpartiklar kan fungera som snöslungor, vända genom ytskikt i en viktig klass av halvledare för att gräva oriktigt raka vägar. Den överraskande grävningsförmågan, rapporterade av forskare från National Institute of Standards and Technology (NIST) och IBM, är ett viktigt tillägg till verktygssatsen för naturlevererade "självmonteringsmetoder" som forskare syftar till att utnyttja för att göra användbara enheter.

Förutsebara applikationer inkluderar integrering av lasrar, sensorer, vågledare och andra optiska komponenter till så kallade lab-on-a-chip-enheter som nu används för diagnos av sjukdomar, screening av experimentmaterial och läkemedel, DNA -kriminalteknik med mera. Lätt att styra, den nya guldkatalyserade processen för att skapa mönster av kanaler med nanoskala dimensioner kan hjälpa till att ge upphov till helt ny teknik som skapats från ensembler av extremt små strukturer.

Preliminära forskningsresultat som började som citroner-ett kontaminant-orsakat fel som hindrade den förväntade bildandet av nanotrådar-blev så småningom till limonad när skanning av elektronmikroskopbilder avslöjade långa, raka kanaler.

"Vi blev besvikna, i början, "säger NIST -forskningskemisten Babak Nikoobakht." Då kom vi på att vatten var förorening i processen - ett problem som visade sig vara bra. "

Det är för att, som bestämts i efterföljande experiment, tillsatsen av vattenånga tjänade till att omvandla guldnanopartiklar till kanalgrävare, snarare än de förväntade trådmakarna. Börjar med studier om halvledaren indiumfosfid, laget retade ut de kemiska mekanismerna och nödvändiga förhållanden som ligger till grund för ytetsningsprocessen.

Först, de mönstrade halvledarens yta genom att selektivt belägga den med ett guldskikt som bara var några nanometer tjockt. Vid uppvärmning, filmen bryts upp till små partiklar som blir droppar. Den underliggande indiumfosfiden löses upp i guldnanopartiklarna ovan, skapa en guldlegering. Sedan, uppvärmd vattenånga införs i systemet. Vid temperaturer under 300 grader Celsius (572 grader Fahrenheit), de små guldlegeringspartiklarna, nu skurna med vattenmolekyler, ets nanoskala gropar i indiumfosfiden.

Men vid 440 grader Celsius (824 grader Fahrenheit) och högre, långa V-formade nanokanaler bildade. Kanalerna följde raka vägar som dikterades av det regelbundet upprepade gitteret av atomer i den kristallina halvledaren. Under processen, indium och fosforatomer interagerar med syreatomer i vattenmolekylerna på ytan av guldlegeringsdroppen. Det oxiderade indiumet och fosforet avdunstar, och droppen går framåt, plocka upp fler halvledaratomer för att oxidera när det går.

Resultatet är en serie kristallina lundar. Spårens dimensioner motsvarar droppens storlek, som kan kontrolleras.

I själva verket, droppen är den kemiska ekvivalenten för skruven på en snöslungare som, istället för snö, gräver genom den övre delen av halvledaren och matar ut avdunstade bitar, Nikoobakht förklarar.

Teamet observerade samma fenomen i galliumfosfid och indiumarsenid, ytterligare två exempel på halvledare bildade genom att kombinera element från den tredje och femte kolumnen i det periodiska systemet. Sammansatta halvledare i denna klass används för att göra lysdioder, och för kommunikation, höghastighetselektronik och många andra applikationer. Nikoobakht tror att med justeringar, etsningsprocessen kan också fungera för att skapa kanalmönster på kisel och andra material.

Kontrollerbar, snabb och flexibel, "botten upp" -kanaltillverkningsprocessen visar löfte för användning i industriell skala, forskarna föreslår. I deras artikel, teamen beskriver hur de använde processen för att etsa mönster av ihåliga kanaler som de som används för att styra vätskeflödet, som ett blodprov, i en mikrofluidisk enhet, eller labb på ett chip.