Een nieuwe benadering van het kweken van nanodraden belooft een nieuwe manier van controle over hun lichtemitterende en elektronische eigenschappen. In een recent nummer van Nano-letters , wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy demonstreerden een nieuwe groeitechniek die speciaal ontwikkelde katalysatoren gebruikt. Deze katalysatoren, die voorlopers zijn voor het kweken van de nanodraden, hebben wetenschappers meer opties dan ooit gegeven om de kleur van lichtgevende nanodraden te veranderen.

De nieuwe aanpak kan mogelijk worden toegepast op een verscheidenheid aan materialen en worden gebruikt voor het maken van apparaten van de volgende generatie, zoals zonnecellen, lichtgevende dioden, hoogvermogenelektronica en meer, zegt Shaul Aloni, stafwetenschapper bij Berkeley Lab's Molecular Foundry, een DOE-gebruikersfaciliteit, en hoofdauteur van het onderzoek.

Sinds het begin van de jaren 2000, wetenschappers hebben gestage vooruitgang geboekt bij het cultiveren van nanodraden. aanvankelijk, vroege nanodraadmonsters leken op "verwarde noedels of door bosbranden verwoeste bossen, " volgens de onderzoekers. Meer recentelijk, wetenschappers hebben ontdekt dat verschillende omstandigheden leiden tot de groei van meer geordende nanodraadarrays.

Bijvoorbeeld, bepaalde substraten waarop de nanodraden groeien, creëren omstandigheden zodat de groeioriëntatie van de nanodraad wordt bepaald door de onderliggende kristalstructuur van het substraat. Helaas, deze en andere benaderingen zijn niet onfeilbaar geweest en sommige nanodraden gaan nog steeds schurkenstaten.

Bovendien, er is geen eenvoudige manier om verschillende soorten nanodraden in dezelfde omgeving en op hetzelfde substraat te kweken. Dit zou handig zijn als je selectief nanodraden met verschillende elektronische of optische eigenschappen in dezelfde batch wilt kweken, bijvoorbeeld.

"Bij de Molecular Foundry streven we ernaar om nieuwe strategieën te ontwikkelen en nieuwe tools toe te voegen aan de trukendoos die wordt gebruikt voor de synthese van nanomaterialen, ", zegt Aloni. "Jarenlang waren we op zoek naar slimmere manieren om nanostructuren met verschillende optische eigenschappen te kweken in identieke groeiomstandigheden. Engineering van de katalysator brengt ons dichter bij het bereiken van dit doel."

De onderzoekers richtten zich op nanodraden gemaakt van galliumnitride. In zijn bulk (niet-nanoschaal) vorm, galliumnitride straalt licht uit in het blauwe of ultraviolette bereik. Als er indiumatomen aan worden toegevoegd, het assortiment kan worden uitgebreid met rood, waardoor het in wezen een breed-spectrum afstembare lichtbron in het zichtbare bereik is.

Het probleem is dat het toevoegen van indiumatomen de kristalstructuur van galliumnitride onder druk zet, wat leidt tot slecht presterende apparaten. Galliumnitride nanodraden, echter, ervaar niet dezelfde soort kristalstam, dus wetenschappers hopen ze te gebruiken als afstembare, breedspectrum lichtbronnen.

Om hun controle te krijgen, het team concentreerde zich op de katalyse die de groei van nanodraden begeleidt. Normaal gesproken, onderzoekers gebruiken katalysatoren gemaakt van een enkel metaal. Het Berkeley-team besloot om metallische mengsels van goud en nikkel te gebruiken, legeringen genoemd, in plaats daarvan als katalysatoren.

In de studie, de onderzoekers ontdekten dat de groeioriëntatie van galliumnitride nanodraad sterk afhing van de relatieve concentratie van nikkel en goud in de katalysator. Door de concentraties in de legering te veranderen, konden de onderzoekers precies manipuleren, zelfs op hetzelfde substraat in dezelfde batch, de oriëntatie van de nanodraden.

"Niemand had eerder bimetaalkatalysatoren gebruikt om de groeirichting te regelen, " zegt Tevje Kuykendall, wetenschapper bij Berkeley Lab's Molecular Foundry. Kuykendall zegt dat het mechanisme dat het nieuwe groeiproces aanstuurt niet volledig wordt begrepen, maar het gaat om de verschillende neigingen van goud en nikkel om uit te lijnen met verschillende kristallografische oppervlakken op het punt waar nanodraden beginnen te groeien.

De onderzoekers toonden ook aan dat, afhankelijk van de gekozen groeirichting, verschillende optische eigenschappen werden waargenomen dankzij de kristaloppervlakken die aan het oppervlak van de nanodraad werden blootgelegd. "Een van de dingen die nanostructuren interessant maken, is dat het oppervlak een grotere rol speelt bij het bepalen van de eigenschappen van het materiaal, ", zegt Aloni. Dit leidt tot veranderingen in optische eigenschappen die niet worden gezien in grotere bulkmaterialen, waardoor ze nuttiger worden.

Aloni zegt dat het team zich vervolgens meer zal concentreren op de chemie van de verschillende nanodraadoppervlakken om de optische eigenschappen van de nanodraad verder aan te passen.