Terwijl ze hun nieuwe methode voor het maken van draden op nanoschaal verfijnen, scheikundigen van het National Institute of Standards and Technology ontdekten een onverwachte bonus:een nieuwe manier om nanodraden te maken die licht produceren dat lijkt op dat van light-emitting diodes (LED's). Deze "nano-LED's" kunnen op een dag hun lichtemissiecapaciteiten aan het werk krijgen voor miniatuurapparaten zoals nanogeneratoren of lab-on-a-chip-systemen.

Nanodraden worden typisch "gegroeid" door de gecontroleerde afzetting van moleculen - zinkoxide, bijvoorbeeld - van een gas op een basismateriaal, een proces dat chemische dampafzetting (CVD) wordt genoemd. De meeste CVD-technieken vormen nanodraden die verticaal uit het oppervlak stijgen als borstelharen. Omdat de draad slechts aan één uiteinde contact maakt met het substraat, het heeft de neiging om kenmerken niet te delen met het substraatmateriaal - een eigenschap die minder dan de voorkeur heeft, omdat de exacte samenstelling van de nanodraad dan moeilijk te definiëren is. Verticale groei levert ook een dicht woud van nanodraden op, waardoor het moeilijk is om afzonderlijke draden van superieure kwaliteit te vinden en opnieuw te positioneren.

Om deze tekortkomingen te verhelpen, NIST-chemici Babak Nikoobakht en Andrew Herzing ontwikkelden een "oppervlaktegerichte" methode om nanodraden horizontaal over het substraat te laten groeien (zie www.physorg.com/news112625999.html).

Zoals veel CVD-methoden voor verticale groei, de NIST-fabricagetechniek gebruikt goud als katalysator voor kristalvorming. Het verschil is dat het goud dat wordt afgezet in de NIST-methode wordt verwarmd tot 900 graden Celsius (1, 652 graden Fahrenheit), het omzetten in een nanodeeltje dat dient als groeiplaats en medium voor de kristallisatie van zinkoxidemoleculen. Naarmate het zinkoxide nanokristal groeit, het duwt het gouden nanodeeltje langs het oppervlak van het substraat (in dit experiment, galliumnitride) om een ​​nanodraad te vormen die horizontaal over het substraat groeit en zo eigenschappen vertoont die sterk worden beïnvloed door het basismateriaal.

In recent werk gepubliceerd in ACS Nano , Nikoobakht en Herzing verhoogden de dikte van het nanodeeltje van de goudkatalysator van minder dan 8 nanometer tot ongeveer 20 nanometer. De verandering resulteerde in nanodraden die een secundaire structuur kregen, een haaiachtige "rugvin" (aangeduid als een "nanowall") waarbij het zinkoxidegedeelte elektronenrijk is en het galliumnitridegedeelte elektronenarm. Het grensvlak tussen deze twee materialen - bekend als een pn-heterojunctie - zorgt ervoor dat elektronen eroverheen kunnen stromen wanneer de nanodraad-nanowall-combinatie werd opgeladen met elektriciteit. Beurtelings, de beweging van elektronen produceerde licht en bracht de onderzoekers ertoe het een "nano-LED" te noemen.

In tegenstelling tot eerdere technieken voor het produceren van heterojuncties, de NIST "surface-directed" fabricagemethode maakt het gemakkelijk om individuele heterojuncties op het oppervlak te lokaliseren. Deze functie is vooral handig wanneer een groot aantal heterojuncties in een array moet worden gegroepeerd, zodat ze elektrisch kunnen worden opgeladen als een lichtemitterende eenheid.

Transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) onderzoek van de zinkoxide-galliumnitride nanodraden en nanowanden onthulde weinig structurele defecten in de nanodraden en zeer duidelijke pn-heterojuncties in de nanowanden, beide bevestigingen van de effectiviteit van de NIST "oppervlaktegerichte" fabricagemethode.

Nikoobakht en Herzing hopen de nano-LED's in toekomstige experimenten te verbeteren met behulp van betere geometrie en materiaalontwerpen, en pas ze vervolgens toe bij de ontwikkeling van lichtbronnen en detectoren die bruikbaar zijn in fotonische apparaten of lab-on-a-chip-platforms.