In de nanowereld kleine deeltjes goud kunnen werken als sneeuwblazers, karnen door oppervlaktelagen van een belangrijke klasse van halfgeleiders om feilloos rechte paden te graven. Het verrassende graafvermogen, gerapporteerd door wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en IBM, is een belangrijke aanvulling op de toolkit van door de natuur geleverde 'zelfassemblage'-methoden die onderzoekers willen gebruiken om bruikbare apparaten te maken.

Te verwachten toepassingen zijn onder meer het integreren van lasers, sensoren, golfgeleiders en andere optische componenten in zogenaamde lab-on-a-chip-apparaten die nu worden gebruikt voor ziektediagnose, screening van experimenteel materiaal en drugs, DNA forensisch onderzoek en meer. Gemakkelijk te controleren, het nieuwe door goud gekatalyseerde proces voor het creëren van patronen van kanalen met afmetingen op nanoschaal zou kunnen helpen om geheel nieuwe technologieën voort te brengen die zijn gemaakt van ensembles van ultrakleine structuren.

Voorlopige onderzoeksresultaten die begonnen als citroenen - een door verontreiniging veroorzaakte storing die de verwachte vorming van nanodraden belemmerde - veranderden uiteindelijk in limonade toen scanning-elektronenmicroscoopbeelden lange, rechte kanalen.

"We waren teleurgesteld, aanvankelijk, " zegt NIST-onderzoekschemicus Babak Nikoobakht. "Toen kwamen we erachter dat water de verontreiniging in het proces was - een probleem dat een goede zaak bleek te zijn."

Dat is omdat, zoals bepaald in volgende experimenten, de toevoeging van waterdamp diende om gouden nanodeeltjes om te zetten in kanaalgraafmachines, in plaats van de verwachte draadmakers. Beginnend met studies over de halfgeleider indiumfosfide, het team plaagde de chemische mechanismen en noodzakelijke voorwaarden die ten grondslag liggen aan het oppervlakte-etsproces.

Eerst, ze vormden een patroon op het oppervlak van de halfgeleider door het selectief te coaten met een goudlaag van slechts enkele nanometers dik. Bij verwarming, de film valt uiteen in kleine deeltjes die druppeltjes worden. Het onderliggende indiumfosfide lost op in de gouden nanodeeltjes erboven, het maken van een goudlegering. Vervolgens, verwarmde waterdamp wordt in het systeem gebracht. Bij temperaturen onder 300 graden Celsius (572 graden Fahrenheit), de kleine deeltjes van een goudlegering, nu omhuld met watermoleculen, ets putjes op nanoschaal in het indiumfosfide.

Maar bij 440 graden Celsius (824 graden Fahrenheit) en hoger, lange V-vormige nanokanalen gevormd. De kanalen volgden rechte paden die werden bepaald door het regelmatig herhalende rooster van atomen in de kristallijne halfgeleider. Tijdens het proces, indium- en fosforatomen interageren met zuurstofatomen in de watermoleculen op het oppervlak van de druppel van de goudlegering. Het geoxideerde indium en fosfor verdampen, en de druppel vordert, meer halfgeleideratomen oppikken om onderweg te oxideren.

Het resultaat is een reeks kristallijne bosjes. De afmetingen van de groeven komen overeen met de grootte van de druppel, die kan worden gecontroleerd.

In werkelijkheid, de druppel is het chemische equivalent van de boor op een sneeuwblazer die, in plaats van sneeuw, graaft zich door het bovenste gedeelte van de halfgeleider en werpt verdampte stukjes uit, Nikoobacht legt het uit.

Het team observeerde dezelfde verschijnselen in galliumfosfide en indiumarsenide, nog twee voorbeelden van halfgeleiders gevormd door elementen uit de derde en vijfde kolom van het periodiek systeem te combineren. Samengestelde halfgeleiders in deze klasse worden gebruikt om LED's, en voor communicatie, high-speed elektronica en vele andere toepassingen. Nikoobacht gelooft dat, met aanpassingen, het etsproces kan ook werken voor het maken van patronen van kanalen op silicium en andere materialen.

Regelbaar, snel en flexibel, het "bottom-up" kanaalfabricageproces is veelbelovend voor gebruik op industriële schaal, suggereren de onderzoekers. In hun artikel, de teams beschrijven hoe ze het proces gebruikten om patronen van holle kanalen te etsen, zoals die worden gebruikt om de stroom van vloeistoffen te sturen, zoals een bloedmonster, in een microfluïdisch apparaat, of lab op een chip.