Bij DESY's röntgenbron PETRA III, wetenschappers hebben de groei van kleine draden van galliumarsenide levend gevolgd. Hun waarnemingen onthullen exacte details van het groeiproces dat verantwoordelijk is voor de evoluerende vorm en kristalstructuur van de kristallijne nanodraden. De bevindingen bieden ook nieuwe benaderingen voor het afstemmen van nanodraden met gewenste eigenschappen voor specifieke toepassingen. De wetenschappers, onder leiding van Philipp Schroth van de Universiteit van Siegen en het Karlsruhe Institute of Technology (KIT), publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Nano-letters . De halfgeleider galliumarsenide (GaAs) wordt veel gebruikt in infrarood afstandsbedieningen, de hoogfrequente componenten van mobiele telefoons en voor het omzetten van elektrische signalen in licht voor optische vezeltransmissie, evenals in zonnepanelen voor inzet in ruimtevaartuigen.

Om de draden te maken, de wetenschappers gebruikten een procedure die bekend staat als de zelfgekatalyseerde damp-vloeistof-vaste stof (VLS) -methode, waarbij kleine druppeltjes vloeibaar gallium eerst worden afgezet op een siliciumkristal bij een temperatuur van ongeveer 600 graden Celsius. Stralen van galliumatomen en arseenmoleculen worden vervolgens op de wafel gericht, waar ze worden geadsorbeerd en oplossen in de galliumdruppels. Na een tijdje, de kristallijne nanodraden beginnen zich onder de druppeltjes te vormen, waarbij de druppeltjes geleidelijk naar boven worden geduwd. In dit proces, de galliumdruppeltjes fungeren als katalysatoren voor de longitudinale groei van de draden. "Hoewel dit proces al vrij goed ingeburgerd is, het was tot nu toe niet mogelijk om de kristalstructuur van de nanodraden die ermee worden geproduceerd specifiek te controleren. Om dit te behalen, we moeten eerst de details begrijpen van hoe de draden groeien, ", zegt co-auteur Ludwig Feigl van KIT.

Om de groei te observeren terwijl deze plaatsvindt, Schroths groep installeerde een mobiele experimentele kamer, speciaal door KIT ontwikkeld voor röntgenexperimenten in DESY's synchrotronstralingsbron PETRA III op proefstation P09. Met tussenpozen van één minuut, de wetenschappers maakten röntgenfoto's, die zowel de interne structuur als de diameter van de groeiende nanodraden onthulde. In aanvulling, ze maten de volgroeide nanodraden met behulp van de scanning elektronenmicroscoop in het DESY NanoLab. "Om het succes van dergelijke complexe metingen te verzekeren, een uitgebreide periode van karakterisering en optimalisatie van de groei bij het UHV Analyse Lab van het KIT was een vereiste, ", zegt co-auteur Seyed Mohammad Mostafavi Kashani van de Universiteit van Siegen.

Over een periode van ongeveer vier uur, de draden groeiden tot een lengte van zo'n 4000 nanometer. Een nanometer (nm) is een miljoenste millimeter. Echter, niet alleen werden de draden in die tijd langer, maar ook dikker - hun diameter nam toe van een aanvankelijke 20 nm tot maximaal 140 nm aan de bovenkant van de draad, waardoor ze ongeveer 500 keer dunner zijn dan een mensenhaar.

"Een nogal opwindende eigenschap is dat de afbeeldingen die onder de elektronenmicroscoop zijn gemaakt, laten zien dat de nanodraden een iets andere vorm hebben, " zegt co-auteur Thomas Keller van DESY NanoLab. Hoewel de draden aan de bovenkant dikker waren dan aan de onderkant, zoals aangegeven door de röntgengegevens, de diameter gemeten onder de elektronenmicroscoop was groter in het onderste deel van de draad dan wat werd waargenomen met behulp van röntgenstralen.

"We ontdekten dat de groei van de nanodraden niet alleen te wijten is aan het VLS-mechanisme, maar dat ook een tweede component bijdraagt, die we voor het eerst in dit experiment konden observeren en kwantificeren. Door deze extra zijwandgroei kunnen de draden breder worden, ", zegt Schroth. Onafhankelijk van de groei van VLS, het opgedampte materiaal hecht zich ook direct aan de zijwanden, vooral in het onderste deel van de nanodraad. Deze extra bijdrage kan worden bepaald door de röntgenmetingen die vroeg tijdens de groei van de draad zijn gedaan, te vergelijken, met de elektronenmicroscoopmeting na beëindiging van de groei.

Verder, de galliumdruppeltjes worden steeds groter naarmate er meer gallium wordt toegevoegd in de loop van het groeiproces. Met behulp van groeimodellen, de wetenschappers konden de vorm van de druppeltjes afleiden, die ook werd beïnvloed door de toenemende druppelgrootte. Het effect hiervan is verstrekkend:"Als de druppel in grootte verandert, de contacthoek tussen de druppel en het oppervlak van de draden verandert ook. Onder bepaalde omstandigheden, de draad groeit dan ineens door met een andere kristalstructuur, ", zegt Feigl. Terwijl de fijne nanodraden aanvankelijk kristalliseren in een zeshoekige, zogenaamde wurtzietstructuur, dit gedrag verandert na enige tijd en de draden nemen een kubische structuur van zinkmengsel aan terwijl ze blijven groeien. Deze verandering is belangrijk als het gaat om toepassingen, aangezien de structuur en vorm van de nanodraden belangrijke gevolgen hebben voor de eigenschappen van het resulterende materiaal.

Dergelijke gedetailleerde bevindingen leiden niet alleen tot een beter begrip van het groeiproces; ze bieden ook benaderingen voor het aanpassen van toekomstige nanodraden om speciale eigenschappen te hebben voor specifieke toepassingen - bijvoorbeeld om de efficiëntie van een zonnecel of een laser te verbeteren.