Nanodraden - microscopisch kleine vezels die in het laboratorium kunnen worden 'gekweekt' - zijn tegenwoordig een populair onderzoeksonderwerp, met een verscheidenheid aan potentiële toepassingen, waaronder light-emitting diodes (LED's) en sensoren. Nutsvoorzieningen, een team van MIT-onderzoekers heeft een manier gevonden om de breedte en samenstelling van deze kleine strengen nauwkeurig te regelen terwijl ze groeien, waardoor het mogelijk wordt om complexe structuren te kweken die optimaal zijn ontworpen voor bepaalde toepassingen.

De resultaten worden beschreven in een nieuw artikel geschreven door MIT-assistent-professor materiaalkunde en engineering Silvija Gradečak en haar team, gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

Nanodraden zijn van groot belang geweest omdat structuren met zulke kleine afmetingen - meestal slechts enkele tientallen nanometers, of miljardsten van een meter, in diameter — kunnen heel andere eigenschappen hebben dan dezelfde materialen in hun grotere vorm. Dat komt deels omdat op zulke minuscule schalen, kwantumopsluitingseffecten - gebaseerd op het gedrag van elektronen en fononen in het materiaal - beginnen een belangrijke rol te spelen in het gedrag van het materiaal, die van invloed kan zijn op hoe het elektriciteit en warmte geleidt of in wisselwerking staat met licht.

In aanvulling, omdat nanodraden een bijzonder groot oppervlak hebben in verhouding tot hun volume, ze zijn bijzonder geschikt voor gebruik als sensoren, zegt Gradečak.

Haar team was in staat om zowel de grootte als de samenstelling van individuele draden te controleren en te variëren terwijl ze groeiden. Nanodraden worden gekweekt met behulp van "zaad"-deeltjes, metalen nanodeeltjes die de grootte en samenstelling van de nanodraad bepalen. Door de hoeveelheid gassen aan te passen die worden gebruikt bij het kweken van de nanodraden, Gradečak en haar team waren in staat om de grootte en samenstelling van de zaaddeeltjes te controleren en, daarom, de nanodraden terwijl ze groeiden. “We zijn in staat om beide eigenschappen tegelijkertijd te beheren, " ze zegt. Terwijl de onderzoekers hun nanodraad-groei-experimenten uitvoerden met indiumnitride en indium galliumnitride, ze zeggen dat dezelfde techniek kan worden toegepast op verschillende materialen.

Deze nanodraden zijn veel te klein om met het blote oog te zien, maar het team kon ze observeren met behulp van elektronenmicroscopie, aanpassingen maken aan het groeiproces op basis van wat ze hebben geleerd over de groeipatronen. Met behulp van een proces genaamd elektronentomografie, ze waren in staat om de driedimensionale vorm van individuele draden op nanoschaal te reconstrueren. In een verwante studie die onlangs in het tijdschrift is gepubliceerd: nanoschaal , het team gebruikte ook een unieke elektronenmicroscopietechniek, kathodoluminescentie genaamd, om te observeren welke golflengten van licht worden uitgezonden door verschillende regio's van individuele nanodraden.

Nauwkeurig gestructureerde nanodraden zouden een nieuwe generatie halfgeleiderapparaten kunnen vergemakkelijken, zegt Gradečak. Een dergelijke controle van de geometrie en samenstelling van nanodraden kan apparaten met een betere functionaliteit mogelijk maken dan conventionele dunnefilmapparaten gemaakt van dezelfde materialen, ze zegt.

Een waarschijnlijke toepassing van de materialen die door Gradečak en haar team zijn ontwikkeld, is in LED-lampen, die een veel grotere duurzaamheid hebben en energiezuiniger zijn dan andere verlichtingsalternatieven. De belangrijkste kleuren licht die uit LED's kunnen worden geproduceerd, bevinden zich in het blauwe en ultraviolette bereik; zinkoxide en galliumnitride nanodraden geproduceerd door de MIT-groep kunnen deze kleuren mogelijk zeer efficiënt en tegen lage kosten produceren, ze zegt.

Terwijl LED-lampen vandaag beschikbaar zijn, ze zijn relatief duur. “Voor alledaagse toepassingen, de hoge kosten zijn een barrière, ', zegt Gradečak. Een groot voordeel van deze nieuwe aanpak is dat het het gebruik van veel goedkopere substraatmaterialen mogelijk maakt — een groot deel van de kosten van dergelijke apparaten, die tegenwoordig typisch saffier- of siliciumcarbidesubstraten gebruiken. De nanodraad-apparaten hebben het potentieel om ook efficiënter te zijn, ze zegt.

Dergelijke nanodraden kunnen ook worden toegepast in zonne-energiecollectoren voor goedkopere zonnepanelen. Door de vorm en samenstelling van de draden te kunnen controleren terwijl ze groeien, kunnen zeer efficiënte collectoren worden gemaakt:de afzonderlijke draden vormen defectvrije eenkristallen, het verminderen van de energie die verloren gaat door gebreken in de structuur van conventionele zonnecellen. En door de exacte afmetingen van de nanodraden te controleren, het is mogelijk om te bepalen op welke golflengten van het licht ze zijn "afgestemd", ofwel voor het produceren van licht in een LED of voor het opvangen van licht in een zonnepaneel.

Complexe structuren gemaakt van nanodraden met verschillende diameters kunnen ook nuttig zijn in nieuwe thermo-elektrische apparaten om afvalwarmte op te vangen en om te zetten in bruikbare elektrische energie. Door de samenstelling en diameter van de draden langs hun lengte te variëren, het is mogelijk om draden te produceren die elektriciteit goed geleiden maar slecht verwarmen - een combinatie die moeilijk te bereiken is in de meeste materialen, maar is de sleutel tot efficiënte thermo-elektrische opwekkingssystemen.

De nanodraden kunnen worden geproduceerd met hulpmiddelen die al in gebruik zijn door de halfgeleiderindustrie, dus de apparaten moeten relatief eenvoudig klaar te maken zijn voor massaproductie, zegt het team.

Zhong Lin Wang, de Regents' Professor en Hightower Chair in Materials Science and Engineering aan het Georgia Institute of Technology, zegt dat het kunnen controleren van de structuur en samenstelling van nanodraden "van vitaal belang is voor het beheersen van hun nanoschaaleigenschappen. De fijnafstemming van het groeigedrag” van deze materialen “opent de mogelijkheid voor het fabriceren van nieuwe opto-elektronische apparaten die waarschijnlijk superieure prestaties zullen hebben.”

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.