Материаловеды учат нанопроволоки "танцевать"

Электронный микроскоп сверхвысокого вакуума, спрятанный в лаборатории в невзрачном проходе на первом этаже исследовательского центра IBM Thomas J Watson (сам спрятан в лесу округа Вестчестер, штат Нью-Йорк), содержит множество подсказок, которые помогают ученым раскрыть физику это происходит в наномасштабе. Понимание того, как ведут себя материалы при таких малых размерах, открывает воображение научного сообщества для создания новых электронных устройств будущего. Электронный микроскоп работает как ферма, но вместо выращивания вашего любимого овоща вырастающие объекты представляют собой нанопроволоки:чрезвычайно узкие, но длинные кристаллы из полупроводниковых материалов, каждый со своими особыми электронными свойствами.

Рост начинается с крошечных «семян», состоящих из капель каталитического металла, которые ученые разбрызгивают на плоское «поле» кремния. Когда подаются правильные ингредиенты - тепло и специальные газы - из каждого семени начинает расти нанопроволока. Но в отличие от настоящей фермы, где рост начинается под землей, здесь семенные капли остаются на концах своих нанопроволок, гарантируя, что рост происходит только на концах. В результате получается лес из длинных узких кристаллов, которые растут вертикально вверх. В новом эксперименте команда показала, что когда они включают электрическое поле, капли можно тянуть в сторону или растягивать вертикально. Этот небольшой «танец» или «растягивание» заставляет растущие кристаллы в ответ изменить свое направление. Контроль электрического поля при росте нанопроволоки - это новый рубеж, открывающий двери для создания индивидуальных наноструктур, которые можно интегрировать в новые типы электронных устройств.

Ученые IBM во главе с доктором Фрэнсис Росс в сотрудничестве с Кембриджским университетом, Университетом Пенсильвании и Техническим университетом Дании опубликовали свои результаты «Контроль роста нанопроволок посредством деформации капли катализатора под действием электрического поля» в последнем издании. выпуск Nature Communications на этой неделе (DOI:10.1038 / NCOMMS12271).

Чтобы управлять элегантным капельным процессом роста нанопроволок, команда уже опробовала множество простых приемов:изменение температуры, давления, смеси газов и материалов катализатора во время роста. «Мы хотели попробовать повернуть новую ручку, чтобы посмотреть, какую структуру мы получим. Добавленная нами ручка представляет собой электрическое поле, которое мы создали путем приложения напряжения к образцу во время роста. Когда мы включали и выключали поле, мы могли видеть, как каждая капля деформируется, а затем рост нанопроволоки изменяется, чтобы следовать за ней », - сказал Росс, ученый-материаловед из IBM Research.

Это причина того, что команда провела свои эксперименты по выращиванию под микроскопом:они могли сразу увидеть движение нанопроволоки при включении электрического поля. Микроскоп увеличивает растущую нанопроволоку в 50 000 раз и записывает 30 изображений каждую секунду, обеспечивая большой объем данных для анализа.

«Электрические поля, казалось, стоили попробовать, потому что мы знали, что капли катализатора будут вести себя как любой другой металл в электрическом поле и будут притягиваться в направлении поля», - сказал Росс. «Что было особенно интригующим в этих экспериментах, так это то, как изменение положения капли повлияло на то, как происходил рост на кончике нанопроволоки».

Интересным побочным продуктом исследования была возможность измерить поверхностное натяжение жидкой капли. Поверхностное натяжение - это кожа, которая удерживает капли, такие как капли воды на стекле, в их сферической форме. Точное значение поверхностного натяжения является фундаментальным требованием для разработки компьютерных моделей для прогнозирования роста нанопроволоки.

«Мы всегда ищем лучший способ выращивать кристаллы с определенными свойствами. Мы знаем, что можно получить, изменяя температуру или давление:интересные, полезные нанопроволоки, но всегда растущие вертикально. С помощью электрического поля у нас наконец-то есть способ заставить провод расти вбок или под углом, так что мы можем сформировать трехмерную структуру », - добавил Росс.

Приложения для «танцующих» нанопроволок

Современные электронные устройства используют постоянно увеличивающийся портфель материалов в стремлении улучшить вычислительную мощность и емкость данных, а также реализовать новые функции. Угловые или изогнутые нанопроволоки могут расширить репертуар материалов, особенно если они могут быть надежно изготовлены. Они могут быть полезны в качестве межсоединений, когда устройству требуется электрическое соединение между различными компонентами в цепи. Они могут позволить использовать новые типы датчиков Интернета вещей или использоваться в качестве датчиков. Например, V-образный зонд можно воткнуть в живую клетку, чтобы отслеживать крошечные электрические сигналы клетки. Другие нанопроволоки в форме букв «T» или «X» также имеют интересные применения. Помещение этих «букв» в магнитное поле и измерение тока, подаваемого на разные ножки, может помочь проверить фундаментальные теории физики. Эти теории непонятны, потому что они определяют поведение особых возбуждений в полупроводниковых материалах. Но они, возможно, также будут иметь практическое значение:возбуждения могут предоставить средства для хранения информации в квантовых компьютерах таким образом, чтобы избежать некоторых ограничений текущих разработок. Нанопроволока, выросшая из танцующих, растягивающихся капель, может стать первым шагом на этом пути.

Электронный микроскоп сверхвысокого вакуума на 360 градусов