Onderzoekers hebben een nieuwe methode ontwikkeld voor het kweken van 'hybride' kristallen op nanoschaal, waarin kwantumstippen - in wezen halfgeleiders op nanoschaal - van verschillende materialen achtereenvolgens kunnen worden ingebouwd in een host-nanodraad met perfecte verbindingen tussen de componenten.

Een nieuwe benadering om complexe structuren op nanoschaal zelf te assembleren en op maat te maken, ontwikkeld door een internationale samenwerking onder leiding van de Universiteit van Cambridge en IBM, opent mogelijkheden om eigenschappen en functionaliteiten van materialen aan te passen voor een breed scala aan toepassingen van halfgeleiderapparaten.

De onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om combinaties van verschillende materialen te kweken in een naaldvormig kristal dat nanodraad wordt genoemd. Nanodraden zijn kleine structuren, slechts enkele miljardsten van een meter in diameter. Halfgeleiders kunnen worden gekweekt tot nanodraden, en het resultaat is een bruikbare bouwsteen voor elektrische, optisch, en apparaten voor het oogsten van energie. De onderzoekers hebben ontdekt hoe ze kleinere kristallen in de nanodraad kunnen laten groeien, het vormen van een structuur zoals een kristallen staaf met een ingebedde reeks edelstenen. Details van de nieuwe methode worden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

"De sleutel tot het bouwen van functionele apparaten op nanoschaal is het beheersen van materialen en hun interfaces op atomair niveau, " zei Dr Stephan Hofmann van de afdeling Engineering, een van de senior auteurs van de krant. "We hebben een methode ontwikkeld om insluitsels van verschillende materialen te ontwerpen, zodat we op een zeer precieze manier complexe structuren kunnen maken."

Nanodraden worden vaak gekweekt via een proces dat Vapour-Liquid-Solid (VLS) -synthese wordt genoemd, waar een klein katalytisch druppeltje wordt gebruikt om de nanodraad te zaaien en te voeden, zodat het zelf één atoomlaag tegelijk assembleert. VLS maakt een hoge mate van controle mogelijk over de resulterende nanodraad:samenstelling, diameter, groei richting, vertakking, knikken en kristalstructuur kunnen worden gecontroleerd door de zelfassemblagecondities af te stemmen. Naarmate nanodraden beter worden gecontroleerd, nieuwe toepassingen mogelijk worden.

De techniek die Hofmann en zijn collega's van Cambridge en IBM ontwikkelden, kan worden gezien als een uitbreiding van het concept dat ten grondslag ligt aan conventionele VLS-groei. De onderzoekers gebruiken de katalytische druppel niet alleen om de nanodraad te laten groeien, maar ook om er nieuwe materialen in te vormen. Deze kleine kristallen vormen zich in de vloeistof, maar hechten zich later aan de nanodraad en worden dan ingebed als de nanodraad verder groeit. Dit door katalysatoren gemedieerde koppelingsproces kan zichzelf 'optimaliseren' om zeer perfecte interfaces voor de ingebedde kristallen te creëren.

Om de complexiteit van dit proces te ontrafelen, het onderzoeksteam gebruikte twee op maat gemaakte elektronenmicroscopen, een bij IBM's TJ Watson Research Center en een tweede bij Brookhaven National Laboratory. Hierdoor konden ze supersnelle films opnemen van de groei van nanodraden terwijl deze atoom-voor-atoom plaatsvindt. De onderzoekers ontdekten dat het gebruik van de katalysator als 'mengkom', met de volgorde en hoeveelheid van elk ingrediënt geprogrammeerd in een gewenst recept, resulteerde in complexe structuren bestaande uit nanodraden met ingebedde kristallen op nanoschaal, of kwantumstippen, van gecontroleerde grootte en positie.

"Met de techniek kunnen twee verschillende materialen in dezelfde nanodraad worden verwerkt, zelfs als de roosterstructuren van de twee kristallen niet perfect overeenkomen, "zei Hofmann. "Het is een flexibel platform dat voor verschillende technologieën kan worden gebruikt."

Mogelijke toepassingen voor deze techniek variëren van atomair perfect begraven interconnects tot single-electron transistors, hoge dichtheid herinneringen, lichtemissie, halfgeleiderlasers, en tunneldiodes, samen met de mogelijkheid om driedimensionale apparaatstructuren te ontwerpen.

"Dit proces heeft ons in staat gesteld om het gedrag van materialen op nanoschaal tot in ongekend detail te begrijpen, en die kennis kan nu worden toegepast op andere processen, ’ zei Hofmann.