I en ny studie, forskare från US Department of Energy's (DOE) Argonne och Brookhaven National Laboratories observerade bildandet av två typer av defekter i enskilda nanotrådar, som är mindre i diameter än ett människohår.

Dessa nanotrådar, tillverkad av indiumgalliumarsenid, kan vara användbart för ett brett spektrum av applikationer inom ett fält som forskare har kallat optoelektronik, som omfattar enheter som fungerar genom att omvandla ljusenergi till elektriska impulser. Fiberoptiska reläer är ett bra exempel.

"Vi måste bara komma tillräckligt nära för att träffa någonstans på målet; vi behöver inte dela den ordspråkliga pilen." - Stephan Hruskewycz, Argonne materialvetare

Effektiviteten hos dessa enheter, dock, kan påverkas av små defekter i deras komponenter. Dessa defekter, som kan förändra både de optiska och elektroniska egenskaperna hos dessa material, intresse forskare som försöker skräddarsy dem för att öka funktionaliteten hos framtida optoelektronik, inklusive material som kommer att kunna manipulera kvantinformation.

I studien, laget, som också involverade medarbetare från Northwestern University och två europeiska universitet, observerade två sorters defekter i en enda nanotråd. Den första typen av defekter, orsakad av belastning, påverkar hela nanotråden, förhindrar att den växer helt rak. Den andra typen av defekter, kallas staplingsfel, sker nära atomnivån, som enskilda atomplan läggs ner för att förlänga nanotråden.

"För att visualisera skillnaden mellan stapelfel och belastning, du kan tänka dig att blanda en kortlek, "sade Argonne materialvetare Stephan Hruszkewycz, en studieförfattare. "Ett staplingsfel uppstår när ett kort från kortlek blandas ofullkomligt - som om två kort kommer från höger hand innan ett kan komma från vänster."

Anstränga, Hruszkewycz förklarade, "ser ut som om ett torn med kortlekar lutades i en viss riktning istället för att stå helt rakt."

Eftersom stapelfel och belastning uppstår i så olika skalor, för att förstå hur de interagerar för att ändra en nanotråds egenskaper kräver forskare att använda sofistikerad bildteknik och komplexa matematiska algoritmer.

Genom att använda en teknik som kallas Bragg ptychography för att observera defekterna, Argonne -forskarna skapade en metod som de kunde använda för att se nanotråden inom dess driftsmiljö.

"Vi har utvecklat en teknik som gör att vi kan undersöka den faktiska lokala strukturen i materialet, "Hruszkewycz sa." Detta gör att vi kan göra värdefulla jämförelser med teorier som människor har kommit med som beskriver hur dessa defekter kan påverka inte bara nanotråden, men hela enheten som den är en del av. "

"Metoden ger en saknad länk mellan nanoskala defektstruktur och variationer i belastning på längre längdskalor som gör det möjligt för oss att bättre kontrollera de optoelektroniska egenskaperna hos nanotrådar, "sade professor i materialvetenskap vid Northwestern University Lincoln Lauhon.

I Bragg ptychography, forskare lyser en röntgenstråle vid en rad överlappande fläckar över hela materialet, som en scenhand som sakta flyttar en strålkastare över en scen. Den information som produceras genom atomernas spridning av röntgenstrålarna ger forskare en tredimensionell bild av materialet nära atomupplösning. Forskarna använde tekniken vid Brookhaven's Hard X-ray Nanoprobe vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science User Facility.

"Beamline 3-ID kan producera en koherent nanofokuserad stråle, så den är väl lämpad för att rekonstruera bilder genom tekniker som Bragg ptychography, "sade Yong Chu, forskare från Brookhaven, som strålade linjer, en författare till studien. "Detta samarbete har varit oerhört värdefullt för att utveckla Bragg ptychography-funktioner på NSLS-II, liksom vår förståelse av nanotrådar. "

Forskare har nyligen förbättrat algoritmerna som genererar denna bild, en förbättring som har dramatiskt förändrat processen för insamling av röntgeninformation. Istället för att behöva använda en spot-by-spot grid-based approach som gjorts i tidigare ptychographic studier, Hruszkewycz och hans medarbetare kunde flytta sin röntgenstråle mer fritt, samla användbar information från hela deras urval. "Det är som att istället för att göra en mycket enkel och repetitiv linedans, allt vi behöver göra är att se till att vi placerar fötterna på varje del av dansgolvet vid ett tillfälle, " han sa.

Denna flexibilitet har en annan fördel:den gör det möjligt för forskare att belysa mindre funktioner med en mindre fläckstorlek-som till stor del aktiveras av röntgenzonplattor tillverkade av Michael Wojcik, en fysiker vid Argonnes Advanced Photon Source. Dessa zonplattor är en diffraktiv optik som består av flera radiellt symmetriska ringar, kallade zoner, som växlar mellan ogenomskinlig och transparent. De är åtskilda så att ljus som överförs av de transparenta zonerna konstruktivt stör vid önskat fokus.

"När vi försöker nå vårt mål, vi behöver inte vara Robin Hood, "Hruszkewycz sa." Vi måste bara komma tillräckligt nära för att träffa någonstans på målet; vi behöver inte dela den ordspråkliga pilen. "

En artikel baserad på studien, "Mätning av tredimensionella påfrestningar och strukturella defekter i en enda InGaAs nanotråd med hjälp av koherent röntgen multiaggregat Bragg projektion ptychography, "dök upp i den 18 januari onlineutgåvan av Nano bokstäver .