Vid DESYs röntgenkälla PETRA III, forskare har följt tillväxten av små trådar av galliumarsenid live. Deras observationer avslöjar exakta detaljer om tillväxtprocessen som är ansvarig för den utvecklande formen och kristallstrukturen hos de kristallina nanotrådarna. Fynden ger också nya metoder för att skräddarsy nanotrådar med önskade egenskaper för specifika applikationer. Forskarna, leds av Philipp Schroth från University of Siegen och Karlsruhe Institute of Technology (KIT), publicerade sina resultat i tidskriften Nanobokstäver . Halvledaren galliumarsenid (GaA) används ofta i infraröda fjärrkontroller, högfrekventa komponenter i mobiltelefoner och för att omvandla elektriska signaler till ljus för fiberoptisk överföring, samt i solpaneler för utplacering i rymdfarkoster.

För att tillverka ledningarna, forskarna använde en procedur som kallas den självkatalyserade vapour-liquid-solid-metoden (VLS), där små droppar av flytande gallium först avsätts på en kiselkristall vid en temperatur på cirka 600 grader Celsius. Balkar av galliumatomer och arsenikmolekyler riktas sedan mot skivan, där de adsorberas och löses upp i galliumdropparna. Efter en tid, de kristallina nanotrådarna börjar bildas under dropparna, varvid dropparna gradvis skjuts uppåt. I denna process, galliumdropparna fungerar som katalysatorer för den längsgående tillväxten av trådarna. "Även om denna process redan är ganska väl etablerad, det har inte varit möjligt förrän nu att specifikt kontrollera kristallstrukturen hos de nanotrådar som produceras av den. För att uppnå detta, vi måste först förstå detaljerna om hur trådarna växer, säger medförfattaren Ludwig Feigl från KIT.

För att observera tillväxten när den äger rum, Schroths grupp installerade en mobil experimentkammare, speciellt utvecklad av KIT för röntgenexperiment i DESYs synkrotronstrålningskälla PETRA III vid försöksstationen P09. Med en minuts mellanrum, forskarna tog röntgenbilder, som avslöjade både den interna strukturen och diametern på de växande nanotrådarna. Dessutom, de mätte de fullvuxna nanotrådarna med hjälp av svepelektronmikroskopet vid DESY NanoLab. "För att säkerställa framgången för sådana komplexa mätningar, en lång period av tillväxtkarakterisering och optimering vid UHV Analysis Lab vid KIT var en förutsättning, säger medförfattaren Seyed Mohammad Mostafavi Kashani från University of Siegen.

Under en period av cirka fyra timmar, trådarna växte till en längd av cirka 4000 nanometer. En nanometer (nm) är en miljondels millimeter. Dock, inte bara blev ledningarna längre under denna tid, men också tjockare – deras diameter ökade från första 20 nm till upp till 140 nm i toppen av tråden, vilket gör dem cirka 500 gånger tunnare än ett människohår.

"En ganska spännande egenskap är att bilderna tagna under elektronmikroskopet visar att nanotrådarna har en något annorlunda form, " säger medförfattaren Thomas Keller från DESY NanoLab. Även om trådarna var tjockare upptill än nertill, precis som indikeras av röntgendata, diametern mätt under elektronmikroskopet var större i den nedre delen av tråden än vad som observerades med röntgenstrålar.

"Vi fann att tillväxten av nanotrådarna inte bara beror på VLS-mekanismen utan att en andra komponent också bidrar, som vi kunde observera och kvantifiera för första gången i detta experiment. Denna extra sidoväggstillväxt gör att ledningarna får bredd, "säger Schroth. Oberoende av VLS -tillväxt, det ångavsatta materialet fäster sig också direkt på sidoväggarna, speciellt i den nedre delen av nanotråden. Detta ytterligare bidrag kan bestämmas genom att jämföra de röntgenmätningar som tagits tidigt under trådens tillväxt, med elektronmikroskopmätning efter att tillväxten har avslutats.

Vidare, galliumdropparna blir ständigt större när ytterligare gallium tillsätts under tillväxtprocessen. Med hjälp av tillväxtmodeller, forskarna kunde härleda formen på dropparna, som också hade påverkats av den ökande droppstorleken. Effekten av detta är långtgående:"När droppen ändras i storlek, kontaktvinkeln mellan droppen och ytan på trådarna förändras också. Under vissa omständigheter, tråden fortsätter sedan plötsligt att växa med en annan kristallstruktur, "säger Feigl. Medan de fina nanotrådarna initialt kristalliseras i en sexkantig, så kallad wurtzite struktur, detta beteende förändras efter en tid och trådarna antar en kubisk zinkblandningsstruktur när de fortsätter att växa. Denna förändring är viktig när det gäller applikationer, eftersom nanotrådarnas struktur och form har viktiga konsekvenser för det resulterande materialets egenskaper.

Sådana detaljerade resultat leder inte bara till en bättre förståelse av tillväxtprocessen; de ger också tillvägagångssätt för att anpassa framtida nanotrådar för att ha speciella egenskaper för specifika applikationer - till exempel för att förbättra effektiviteten hos en solcell eller en laser.