De galliumnitride-nanodraden die door PML-wetenschappers zijn gekweekt, zijn misschien maar een paar tienden van een micrometer in diameter, maar ze beloven een zeer breed scala aan toepassingen, van nieuwe light-emitting diodes en diodelasers tot ultrakleine resonatoren, chemische sensoren, en zeer gevoelige punten van atomaire sondes.

In de twee decennia sinds GaN voor het eerst werd gebruikt in een commercieel levensvatbare LED, een oogverblindende toekomst inluiden voor low-power verlichting en high-power transistors, de III-V-halfgeleider is op verschillende manieren geproduceerd en onderzocht, in zowel dunnefilm- als nanodraadvorm.

Bij de Quantum Electronics and Photonics Division van PML in Boulder, CO, veel van de recente inspanningen zijn besteed aan het kweken en karakteriseren van extreem hoogwaardige GaN-nanodraden - "enkele van de beste, zo niet de beste, in de wereld, " zegt Norman Sanford, co-leider van het project Semiconductor Metrology for Energy Conversion.

GaN straalt licht uit wanneer gaten en elektronen recombineren op een kruispunt dat is gecreëerd door het kristal te doteren om p-type en n-type regio's te creëren. Deze lagen worden gevormd door verschillende depositiemethoden, typisch op een substraat van saffier of siliciumcarbide. Conventionele methoden produceren kristallen met relatief hoge defectdichtheden. Helaas, defecten in het rooster beperken de lichtemissie, signaalruis introduceren, en leiden tot vroegtijdig falen van het apparaat.

Het Boulder-team, daarentegen, groeit vrijwel defectvrije hexagonale GaN-nanodraden heel langzaam uit een siliciumbasis. Hun depositiemethode is moleculaire bundelepitaxie (MBE), waardoor de nanodraden spontaan kunnen worden gevormd zonder het gebruik van katalysatordeeltjes. Hoewel katalysatordeeltjes veel worden gebruikt voor de groei van nanodraad, ze laten sporen van onzuiverheden achter die GaN kunnen afbreken. Het duurt twee tot drie dagen voordat de structuren een lengte hebben bereikt van ongeveer 10 micrometer (ongeveer een tiende van de dikte van een mensenhaar), maar het wachten loont, want de kristalstructuur is bijna perfect.

Onder andere voordelen, onberispelijke kristallen produceren meer licht. "Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, de elektroluminescentie van een enkele GaN nanodraad-LED is voldoende helder dat we het spectrum ervan kunnen meten en het spectrum kunnen volgen met stuurstroom om tekenen van verwarming te zien, ", zegt projectleider Kris Bertness. "Er zijn geen andere voorbeelden van elektroluminescentiespectra van een enkele MBE-gegroeide GaN-nanodraad in de literatuur."

GaN en het verwante legeringssysteem (inclusief halfgeleiders die indium en aluminium bevatten) vormen de basis van de snel groeiende solid state verlichtingsindustrie. Het zou sneller kunnen gaan, deskundigen geloven, als de industrie een economische methode zou kunnen ontwikkelen om materiaal met een lage defectdichtheid te kweken.

"Conventionele op GaN gebaseerde LED's die worden gekweekt op kosteneffectieve maar niet-rooster-gematchte substraten (zoals saffier) ​​lijden aan onvermijdelijke spanning en defecten die de efficiëntie in gevaar brengen, "zegt Sanford. "Bovendien, lichtextractie van conventionele vlakke (platte) LED-structuren wordt belemmerd door totale interne reflectie, wat resulteert in verspilde fotonen die in het apparaat worden opgesloten in plaats van naar buiten te stralen als nuttig licht."

GaN nanodraad LED-technologie biedt aanzienlijke verbeteringen omdat de draden in wezen vrij van spanning en defecten groeien en dus fundamenteel efficiëntere apparaten zouden moeten mogelijk maken. Verder, de morfologie die wordt geboden door een "bos" van dicht opeengestapelde nanodraad-LED's biedt verbeteringen in de lichtextractie-efficiëntie van deze structuren in vergelijking met hun vlakke tegenhangers.

Het testen en meten van die en andere eigenschappen, echter, brengt grote uitdagingen met zich mee. "P-type GaN is moeilijk te kweken met een gewone groeimethode, Bertness zegt. "En wat heel moeilijk blijkt te zijn, is goede elektrische contacten maken met de nanodraad, omdat het niet plat is, en de dikte is groter dan de meeste metaalfilms die worden gebruikt om in contact te komen met vlakke films.

"Deze 3D-geometrie stimuleert de vorming van holtes en het opsluiten van chemische onzuiverheden in de buurt van de contacten, die beide het contact verslechteren, soms tot onbruikbaar. Dit is een gebied dat we actief onderzoeken."

Het team zoekt naar manieren om nanodraden in reguliere arrays te laten groeien, met zorgvuldige controle van de afstand en afmetingen van elke afzonderlijke draad. Onlangs ontdekten ze dat door een rasterachtig patroon van openingen in de orde van 200 nanometer breed te creëren in een "maskerlaag" van siliciumnitride die over het substraat is geplaatst, ze konden selectieve groei van zeer regelmatige draden bereiken. De mogelijkheid om geordende patronen van uniforme GaN-apparaten te produceren, Bertness zegt, "is essentieel voor een betrouwbare productie."

GaN is niet alleen een lichtbron. Het heeft ook meerdere toepassingen op verschillende gebieden. "Een ander leuk aspect van GaN is dat het ongevoelig is voor hoge temperaturen, " zegt Robert Hickernell, leider van de Optoelectronic Manufacturing Group, waaronder het Semiconductor Metrology-project. "Dat is een voordeel voor toepassingen met een hoog elektrisch vermogen." De groep bestudeert ook nanodraad-veldeffecttransistoren (FET's) om de transporteigenschappen van dragers nauwkeurig te meten. "En we hebben GaN-nanodraad-FET's die tot de beste onderzoeksapparaten ter wereld behoren."

In aanvulling, GaN-nanodraden zijn mechanisch robuust. Zeer robuust:vier jaar geleden, een samenwerking tussen PML en de Universiteit van Colorado haalde de krantenkoppen door nanodraden te produceren met factoren van buitengewoon hoge kwaliteit die ze potentieel uitstekende oscillatoren maken. "In de verre toekomst, "Hickernell zegt, "ze kunnen worden gebruikt in toepassingen voor mobiele telefoons als micro-resonatoren."

De combinatie van een hoge mechanische kwaliteitsfactor en een kleine massa maakt ze ook in staat om massa's in het subattogrambereik te detecteren. PML-medewerkers aan de Universiteit van Colorado zijn ervan overtuigd dat ze de huidige experimenten kunnen extrapoleren tot ongeveer 0,01 attogram, of 10 zeptogram gevoeligheid. (Ter vergelijking, de massa van een virus is in de orde van 1 attogram, of 10-18 gram.) Op die schaal zijn nog geen directe metingen gedaan.

Eerder dit jaar, Bert, Medewerkers van Sanford en CU gebruikten de oorspronkelijke piëzoweerstand van GaN om de frequentierespons te meten in nanodraden die zich over een opening van 10 micrometer uitstrekten. De resultaten toonden aan dat de apparaten "onmiddellijk bruikbaar waren in massa- en krachtdetectietoepassingen met hoge resolutie, ’ schreven de onderzoekers in hun gepubliceerde rapport.

Het team denkt dat het mogelijk is om "een nieuwe klasse elektrisch adresseerbare multifunctionele scanning-probe tools te maken, Bertness legt uit. "Bijvoorbeeld conventionele NSOM vertrouwt op een optische scantip met een diafragmadiameter in het bereik van 10 tot 100 nanometer die is gevormd aan het taps toelopende uiteinde van een passieve optische vezel. Die tips zijn mechanisch en chemisch kwetsbaar en hebben een zeer korte levensduur - uren tot dagen. Anderzijds, Op GaN nanodraad gebaseerde NSOM-tools kunnen mogelijk een elektrisch adresseerbare multifunctionele werking bieden die optische emissie, optische detectie, AFM- en RF-AFM-functionaliteit."

Eindelijk, GaN-nanodraden zijn ook zeer geschikt voor gebruik in chemische, biologisch, en gasdetectie. Voortdurende samenwerking tussen het team en NIST's Material Measurement Laboratory levert interessante resultaten op met GaN-nanodraden die samen met nanoclusters van titaniumdioxide worden gebruikt om aromatische verbindingen zoals benzeen en tolueen te detecteren. "Aanvullend, ons project heeft wat voorbereidend (gepubliceerd) werk gedaan met GaN-nanodraden gefunctionaliseerd voor biologische moleculen, ", zegt Sanford. "Verschillende andere groepen over de hele wereld streven naar vergelijkbare sensortechnologie met behulp van GaN-nanodraad-backbones."