Nanotrådar lovar att göra lysdioder mer färgglada och solceller mer effektiva, förutom att påskynda datorer. Det är, förutsatt att de små halvledarna omvandlar elektrisk energi till ljus, och vice versa, vid rätt våglängder. Ett forskargrupp vid tyska Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har lyckats producera nanotrådar med driftsvåglängder som fritt kan väljas över ett brett intervall-helt enkelt genom att ändra skalstrukturen. Finjusterade nanotrådar kan ta flera roller i en optoelektronisk komponent. Det skulle göra komponenterna mer kraftfulla, mer kostnadseffektivt, och lättare att integrera, som laget rapporterar in Naturkommunikation .

Nanotrådar är extremt mångsidiga. De små elementen kan användas för miniatyriserade fotoniska och elektroniska komponenter inom nanoteknik. Tillämpningar inkluderar optiska kretsar på chips, nya sensorer, lysdioder, solceller och innovativ kvantteknik. Det är de fristående nanotrådarna som säkerställer kompatibiliteten mellan nyare halvledarteknologi och konventionell kiselbaserad teknik. Eftersom kontakten med kiselsubstratet är liten, de övervinner typiska svårigheter med att kombinera olika material.

För sina studier, som varade flera år, Dresden-forskarna började först odla nanotrådar från halvledarmaterialet galliumarsenid på kiselsubstrat. Nästa steg innebar att innesluta de wafer-tunna trådarna i ett annat lager av material som de tillsatte indium som ett extra element. Deras mål:den felaktiga kristallstrukturen i materialen var avsedd att inducera en mekanisk belastning i trådkärnan, som ändrar de elektroniska egenskaperna hos galliumarsenid. Till exempel, halvledarbandgapet blir mindre och elektronerna blir mer rörliga. För att förstora denna effekt, forskarna fortsatte att lägga till mer indium till skalet, eller ökat skalets tjocklek. Resultatet gick långt över förväntan.

Att ta en känd effekt till det yttersta

"Vad vi gjorde var att dra en känd effekt till extrema, "förklarade Emmanouil Dimakis, ledare för studien som involverade forskare från HZDR, TU Dresden och DESY i Hamburg. "De 7 procent av belastningen som uppnåddes var enorm."

På denna nivå av belastning, Dimakis hade förväntat sig att se störningar i halvledarna:enligt deras erfarenhet, trådkärnan böjer sig eller defekter uppstår. Forskarna tror att de speciella experimentella förhållandena var orsaken till frånvaron av sådana störningar:För det första, de växte extremt tunna galliumarsenid-trådar — omkring fem tusen gånger finare än ett människohår. Andra, laget lyckades tillverka trådskalet vid ovanligt låga temperaturer. Ytdiffusion av atomer är då mer eller mindre frusen, tvingar skalet att växa jämnt runt kärnan. Forskargruppen förstärkte sin upptäckt genom att genomföra flera oberoende mätningar på anläggningar i Dresden, samt vid de höglysande röntgenljuskällorna PETRA III i Hamburg och Diamond i England.

De extraordinära resultaten fick forskarna att genomföra ytterligare undersökningar:"Vi flyttade vårt fokus till frågan om vad som utlöser den extremt höga belastningen i nanotrådskärnan, och hur detta kan användas för vissa applikationer, "Mindes Dimakis. "Forskare har varit medvetna om galliumarsenid som ett material i flera år, men nanotrådar är speciella. Ett material kan uppvisa helt nya egenskaper på nanoskala. "

Potentiella tillämpningar för fiberoptiska nätverk

Forskarna insåg att den höga belastningen lät dem flytta bandgapet för galliumarsenid-halvledaren till mycket låga energier, vilket gör den kompatibel även för våglängder hos fiberoptiska nät. En teknisk milstolpe. Trots allt, detta spektralområde kunde tidigare endast uppnås genom speciallegeringar innehållande indium, vilket orsakade ett antal tekniska problem på grund av materialblandningen.

Det krävs metoder med hög precision för att producera nanotrådar. Fyra år sedan, ett speciellt system installerades vid HZDR för detta ändamål:molecular beam epitaxi laboratory. Den självkatalyserade tillväxten av nanotrådar från balkar av atomer eller molekyler uppnås i labbet; strålarna riktas mot silikonsubstrat i ultrahögt vakuum. Emmanouil Dimakis spelade en stor roll i inrättandet av labbet. De flesta studier som rapporteras i den aktuella publikationen utfördes av Leila Balaghi som en del av sin doktorsexamen.