Ученые используют электрические поля для управления ростом нанопроводов

Ультра-высоковакуумный электронный микроскоп, затаеный в лаборатории на первом этаже IBM Thomas J. Watson Research Center в Вестчестер-каунти, штат Нью-Йорк, — мощный инструмент для раскрытия физики, управляющей материалами в наноскале. Визуализируя, как структуры ведут себя под экстремальными условиями, исследователи могут проектировать следующее поколение электронных устройств.

В лаборатории ученые выращивают нанопроводы — крошечные, один-микрометровые кристаллы из полупроводниковых материалов — используя пар-жидкость-твердое тело подход. Крошечные каталитические металлические капли служат «семенами» на плоском кремниевом субстрате. При нагреве и экспозиции тщательно выбранной газовой смеси каждое семя нуклеации нанопровод, вытягивающийся прямо вверх от кончика капли.

В прорывном исследовании, ученые IBM под руководством д-ра Фрэнсис Росс, в сотрудничестве с Кембриджским университетом, Университетом Пенсильвании и Техническим университетом Дании, продемонстрировали, что приложение электрического поля во время роста может деформировать каталитическую каплю. Эта деформация направляет нанопровод, заставляя его изгибаться или растягиваться в ответ на поле. Находки опубликованы в Nature Communications (DOI: 10.1038/ncomms12271).

«Мы хотели добавить новый контрольный рычаг в наш процесс роста», сказала Росс. «Включая и выключая электрическое поле, мы могли наблюдать деформацию капли и нанопровод, следующий за ее движением». Команда экспериментировала с температурой, давлением, газовым составом и каталитическим материалом, но электрическое поле предложило новый способ диктовать направление роста.

Наблюдение процесса в реальном времени потребовало 50,000-кратного увеличения микроскопа и 30 кадров в секунду записи. Эта установка позволила исследователям захватить динамический ответ капли и нанопровода при приложении поля.

«Металлы предсказуемо реагируют на электрические поля», объяснила Росс. «Когда мы видели смещение капли, мы также видели рост нанопровода вдоль новой траектории, раскрывая прямую связь между механикой капли и кристаллическим ростом».

Эксперименты также дали точное измерение поверхностного натяжения каталитической капли — ключевого параметра для вычислительных моделей, предсказывающих поведение нанопроводов. Точные значения поверхностного натяжения помогают ученым проектировать протоколы роста, надежно производящие желаемые формы.

«Температура и давление дают нам вертикальный рост», отметила Росс. «С электрическим полем мы теперь можем заставлять провода расти боком или под произвольными углами, открывая дверь к трехмерным наноструктурам».

Применение для «танцующих» нанопроводов

Нанопроводы, которые можно направить в специфические геометрии, имеют широкие импликации для электроники следующего поколения. Угловатые или изогнутые провода могут служить интерконнектами в плотно упакованных схемах, позволять новые IoT сенсоры или выступать зондами, интерфейся напрямую с живыми клетками для мониторинга электрической активности. Дополнительно, геометрии проводов в форме букв «T» или «X» могут использоваться в магнитных полях для изучения квантовых возбуждений — существенного шага к надежному квантовому хранению информации.

Ультра-высоковакуумный электронный микроскоп в 360°

Помимо экспериментов с ростом, 360-градусная способность микроскопа к визуализации позволяет исследователям инспектировать наноструктуры со всех углов, обеспечивая, что тонкие морфологические изменения не упущены. Этот комплексный взгляд критичен для валидации надежности электрически-управляемой фabricации нанопроводов.