Nu halfgeleider-nanodraden naar voren komen als onmisbare bouwstenen voor de volgende generatie elektronische, energie conversie, en fotonische apparaten (zoals zonnepanelen, lasers), een beter begrip van hoe de groei van nanodraden kan worden gestuurd, is van vitaal belang, volgens Georgia Tech-onderzoekers.

Vele ordes van grootte kleiner dan huishoudelijke draden, nanodraden kunnen worden gemaakt van een verscheidenheid aan halfgeleidende materialen, waaronder germanium en silicium.

Voor jaren, de synthese van nanodraden is enigszins mysterieus geweest, waarbij wetenschappers moeten experimenteren met reactorinstellingen, modulerende temperatuur en druk, om te zien wat het beste zou werken - een langzame, moeizaam proces van vallen en opstaan. "Het is alsof je iets in de oven kookt zonder er ooit in te kunnen kijken totdat het uren later klaar is, " legt Michael Filler uit, universitair hoofddocent aan de Georgia Tech's School of Chemical &Biomolecular Engineering.

Echter, een team dat in het Filler Laboratory werkt, heeft ongekend inzicht gekregen in het groeiproces van nanodraad door het gebruik van realtime infraroodspectroscopie. Ze ontdekten dat oppervlaktesoorten, specifiek waterstofatomen en methylgroepen, sieren het oppervlak van de nanodraad en zijn essentieel voor de stabiele groei van nanodraden gemaakt van germanium.

Volgens de bevindingen van de studie, zonder de aanwezigheid van waterstof en methyl die adsorberen (of hechten) aan de zijwanden van nanodraad, de vloeistofdruppel die bovenop de nanodraad zit, kan wegglijden, waardoor de groei stopt. "Deze oppervlaktesoorten, waterstof- en methylmoleculen, fungeren als een laag Rain-X, de druppel op zijn plaats houden, ’ legt Filler uit.

"Ons werk toont aan dat zonder deze oppervlakteadsorbaten, groei gebeurt niet. Dat wist niemand eerder, " zegt Filler, wiens onderzoeksteam zijn bevindingen publiceerde in een recent nummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society . "Zolang wetenschappers deze groeimethode gebruiken - meer dan vijf decennia - wisten we niet dat er iets op het draadoppervlak aanwezig was."

Nu de wetenschappelijke gemeenschap zich bewust is van dit belangrijke aspect van nanodraadsynthese, onderzoekers zullen in staat zijn om processen en voorlopers beter te ontwerpen om nanodraadgroei te choreograferen, zegt Filler. Nu obstakels voor de productie van nanodraden worden overwonnen, ze kunnen bij een grotere verkoop worden vervaardigd en in commerciële producten worden verwerkt.

"De fundamentele chemische kennis die in onze studie wordt verstrekt, belooft het rationele synthetische ontwerp van de structuur en functie van nanodraad te bevorderen, ' zegt Filler.

Getiteld "Directe waarneming van voorbijgaande oppervlaktesoorten tijdens Ge Nanowire-groei en hun invloed op groeistabiliteit, " de studie werd geleid door Saujan V. Siveram (PhD 2015) die samenwerkte met Filler, Naechul Shin (PhD 2013), en Li Wei Chou, een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij Georgia Tech.

Filler zegt dat hun experimenten inzicht geven in, en mogelijke oplossingen voorstellen voor, langdurige uitdagingen bij het selecteren van materialen die het groeiproces van nanodraad katalyseren; de levering van onzuiverheden (bijv. fosfor, boor) die de elektrische geleiding beïnvloeden; en de vorming van heterostructuren op of binnen nanodraden, waardoor betere en mogelijk nieuwe combinaties van materialen mogelijk zijn.