(Phys.org) — Toen een team van ingenieurs van de Universiteit van Illinois erop uit was om nanodraden van een samengestelde halfgeleider bovenop een vel grafeen te laten groeien, ze hadden niet verwacht een nieuw paradigma van epitaxie te ontdekken.

De zelf-geassembleerde draden hebben een kern van de ene samenstelling en een buitenlaag van een andere, een gewenste eigenschap voor veel geavanceerde elektronische toepassingen. Onder leiding van professor Xiuling Li, in samenwerking met professoren Eric Pop en Joseph Lyding, alle professoren van elektrotechniek en computertechniek, het team publiceerde zijn bevindingen in het tijdschrift Nano-letters .

nanodraden, minuscule strengen halfgeleidermateriaal, hebben een groot potentieel voor toepassingen in transistors, zonnepanelen, lasers, sensoren en meer.

"Nanodraden zijn echt de belangrijkste bouwstenen van toekomstige nano-apparaten, " zei postdoctoraal onderzoeker Parsian Mohseni, eerste auteur van de studie. "Nanodraden zijn componenten die kunnen worden gebruikt, op basis van het materiaal waaruit je ze kweekt, voor elke functionele elektronicatoepassing."

Li's groep gebruikt een methode genaamd van der Waals epitaxie om nanodraden van onder naar boven te laten groeien op een vlak substraat van halfgeleidermaterialen. zoals silicium. De nanodraden zijn gemaakt van een klasse materialen genaamd III-V (drie-vijf), samengestelde halfgeleiders die bijzonder veelbelovend zijn voor toepassingen met licht, zoals zonnecellen of lasers.

De groep rapporteerde eerder groeiende III-V-nanodraden op silicium. Hoewel silicium het meest gebruikte materiaal in apparaten is, het heeft een aantal tekortkomingen. Nutsvoorzieningen, de groep heeft nanodraden van het materiaal indium galliumarsenide (InGaAs) laten groeien op een vel grafeen, een 1-atoom dik vel koolstof met uitzonderlijke fysische en geleidende eigenschappen.

Dankzij zijn dunheid, grafeen is flexibel, terwijl silicium stijf en broos is. Het geleidt ook als een metaal, waardoor direct elektrisch contact met de nanodraden mogelijk is. Verder, het is goedkoop, afgeschilferd van een blok grafiet of gegroeid uit koolstofgassen.

"Een van de redenen waarom we op grafeen willen telen, is om weg te blijven van dikke en dure substraten. "Zei Mohseni. "Ongeveer 80 procent van de productiekosten van een conventionele zonnecel komt van het substraat zelf. Dat hebben we weggewerkt door alleen grafeen te gebruiken. Er zijn niet alleen inherente kostenvoordelen, we introduceren ook functionaliteit die een typisch substraat niet heeft."

De onderzoekers pompen gassen met gallium, indium en arseen in een kamer met een grafeenvel. De nanodraden zelf assembleren, vanzelf uitgroeien tot een dicht tapijt van verticale draden over het oppervlak van het grafeen. Andere groepen hebben nanodraden laten groeien op grafeen met samengestelde halfgeleiders die slechts twee elementen hebben, maar door drie elementen te gebruiken, de Illinois-groep deed een unieke bevinding:de InGaAs-draden die op grafeen zijn gegroeid, segregeren spontaan in een indiumarsenide (InAs) -kern met een InGaAs-schaal rond de buitenkant van de draad.

"Dit is onverwacht, " zei Li. "Veel apparaten hebben een core-shell-architectuur nodig. Normaal gesproken kweek je de kern in één groeiconditie en verander je de omstandigheden om de schaal aan de buitenkant te laten groeien. Dit is spontaan, in één stap gedaan. Het andere goede is dat, aangezien het een spontane segregatie is, het levert een perfecte interface op."

Dus wat veroorzaakt deze spontane kern-schil-structuur? Per toeval, de afstand tussen atomen in een kristal van InAs is bijna hetzelfde als de afstand tussen hele aantallen koolstofatomen in een vel grafeen. Dus, wanneer de gassen in de kamer worden geleid en het materiaal begint te kristalliseren, InAs nestelt zich op zijn plaats op het grafeen, een bijna perfecte pasvorm, terwijl de galliumverbinding zich aan de buitenkant van de draden nestelt. Dit was onverwacht, omdat normaal, met van der Waals epitaxie, de respectievelijke kristalstructuren van het materiaal en het substraat zouden er niet toe doen.

"We hadden het niet verwacht, maar toen we het eenmaal zagen, het was logisch, ' zei Mohseni.

In aanvulling, door de verhouding van gallium tot indium in de halfgeleidercocktail af te stemmen, de onderzoekers kunnen de optische en geleidende eigenschappen van de nanodraden afstemmen.

Volgende, Li's groep is van plan zonnecellen en andere opto-elektronische apparaten te maken met hun uit grafeen gegroeide nanodraden. Dankzij zowel de ternaire samenstelling van de draden als de flexibiliteit en geleidbaarheid van grafeen, Li hoopt de draden te integreren in een breed spectrum aan toepassingen.

"We hebben in feite een nieuw fenomeen ontdekt dat bevestigt dat registratie wel degelijk meetelt in van der Waals-epitaxie, ' zei Li.