(PhysOrg.com) -- Halfgeleider nanodraden zijn essentiële materialen bij de ontwikkeling van goedkopere en efficiëntere zonnecellen, evenals batterijen met een hogere opslagcapaciteit. Bovendien, het zijn belangrijke bouwstenen in nano-elektronica. Echter, fabricage van halfgeleider nanodraden op industriële schaal is erg duur. De belangrijkste reden hiervoor zijn de hoge temperaturen waarbij ze worden geproduceerd (600-900 C), evenals het gebruik van dure katalysatoren, zoals goud. Wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart, voorheen het Max Planck Instituut voor Metaalonderzoek, hebben nu kristallijne halfgeleider nanodraden kunnen produceren bij een veel lagere temperatuur (150 C) terwijl ze goedkope katalysatoren gebruiken, zoals aluminium. Op deze manier, nanogestructureerde halfgeleiders kunnen zelfs direct op warmtegevoelige kunststofsubstraten worden afgezet.

Nanodraden gemaakt van halfgeleiders zoals silicium (Si) of germanium (Ge) zullen in de toekomst voor veel technische toepassingen onmisbaar zijn. Tot nu, ze zijn vervaardigd met behulp van een proces dat voor het eerst werd beschreven in 1964. Het zogenaamde damp-vloeistof-vaste stof (VLS) mechanisme gebruikt minuscule deeltjes metaalkatalysatoren als zaden voor de groei van de nanodraden. De metalen zaden worden afgezet op een vaste ondergrond, gesmolten en blootgesteld aan een gasatmosfeer die silicium of germanium bevat. De metaaldruppels zullen dan halfgeleideratomen uit het gas opnemen totdat ze oververzadigd zijn, en het overtollige halfgeleidermateriaal slaat neer op de grens met het substraat:er groeit een nanodraadje. In de meeste gevallen, goud wordt gebruikt als katalysator, omdat het veel silicium of germanium kan oplossen wanneer het gesmolten is. Het gebruik van deze dure katalysator en de hoge verwerkingstemperatuur van 600 tot 900 ºCelsius lood, echter, tot hoge productiekosten.

Materiaalwetenschappers van de afdeling Eric Mittemeijer van het Max Planck Institute for Intelligent Systems hebben nu een methode ontdekt om halfgeleider nanodraden te produceren bij een opvallend lagere temperatuur van slechts 150 C, terwijl goedkope katalysatoren zoals aluminium worden gebruikt. Samen met collega's van het Stuttgart Center for Electron Microscopy, een onderzoeksfaciliteit aan hetzelfde instituut, de wetenschappers zijn erin geslaagd om de groei van nanodraad in realtime op atomaire schaal te observeren.

Hiertoe, de wetenschappers maakten een dubbellaag van kristallijn aluminium en amorf silicium. De laag werd geproduceerd in vacuüm en bij kamertemperatuur met behulp van thermische verdamping. Terwijl de atomen ongeordend zijn in de amorfe siliciumfase, ze zijn gerangschikt in een geordend kristalrooster in de aluminiumlaag. In feite, de Al-laag bestaat uit miljarden kleine aluminiumkristallen, elk zo klein als ongeveer 50 nanometer. De kristalkorrels staan ​​in nauw contact met elkaar. Hun grenzen vormen zo een tweedimensionaal netwerk van korrelgrenzen binnen de aluminiumlaag.

Met behulp van analytische transmissie-elektronenmicroscopie, de wetenschappers konden direct waarnemen dat siliciumatomen vanaf de siliciumlaag in de aluminiumkatalysator beginnen te stromen bij een temperatuur zo laag als 120 ° Celsius. Bij zulke lage temperaturen de aluminiumkatalysator is vast en kan geen siliciumatomen oplossen. Microscopisch onderzoek onthult dat de siliciumatomen in plaats daarvan zijn ondergebracht op de grenzen tussen de aluminiumkristallen. Naarmate meer en meer siliciumatomen zich verzamelen bij de aluminiumkorrelgrenzen, ze worden geherstructureerd tot kleine kristallijne nanodraden, omdat dit de totale energie van het systeem vermindert. Hierdoor ontstaat een netwerk van kristallijne nanodraden, waarvan het patroon precies wordt bepaald door het aluminium korrelgrensnetwerk. Zo kunnen draden tot 15 nanometer dun worden geproduceerd.

Het is duidelijk dat het groeimechanisme van nanodraden ontdekt door de materiaalwetenschappers in Stuttgart fundamenteel verschilt van het conventionele VLS-groeimechanisme. Het meest opvallend, de nieuwe groeimethode vereist geen oplosbaarheid van halfgeleiders in de metaalkatalysator en kan daarom worden gerealiseerd bij lage temperaturen (150 ° Celsius), terwijl goedkope katalysatoren zoals aluminium worden gebruikt.

De grote voordelen van de nieuwe methode zijn dan ook dat er geen hoge substraattemperaturen of dure katalysatoren voor nodig zijn. In aanvulling, materiaalwetenschappers kunnen de grootte van de aluminiumkorrels aanpassen en daarmee de vorm van het aluminiumkorrelgrensnetwerk, om het gewenste patroon van silicium nanodraden te produceren. De Al-katalysator kan eenvoudig worden verwijderd door selectief etsen. Aangezien aluminiumfilms al tientallen jaren worden gebruikt in de micro-elektronica, hun productie en verwerking zijn wijdverbreid. Andere katalysatoren kunnen ook geschikt zijn voor de werkwijze. Een ander voordeel is dat nanogestructureerde siliciumapparaten direct op de meeste plastic substraten kunnen worden gekweekt, zelfs als ze hittegevoelig zijn.