In een nieuwe studie, onderzoekers van het Amerikaanse Department of Energy's (DOE) Argonne en Brookhaven National Laboratories observeerden de vorming van twee soorten defecten in individuele nanodraden, die een kleinere diameter hebben dan een mensenhaar.

Deze nanodraden, gemaakt van indium-galliumarsenide, kan nuttig zijn voor een breed scala aan toepassingen in een veld dat wetenschappers opto-elektronica hebben genoemd, die apparaten omvat die werken door lichtenergie om te zetten in elektrische impulsen. Glasvezelrelais zijn een goed voorbeeld.

"We moeten gewoon dichtbij genoeg komen om ergens op het doel te raken; we hoeven de spreekwoordelijke pijl niet te splitsen." — Stephan Hruskewycz, Argonne materiaalwetenschapper

De effectiviteit van deze apparaten, echter, kunnen worden beïnvloed door kleine defecten in hun componenten. deze gebreken, die zowel de optische als elektronische eigenschappen van deze materialen kunnen veranderen, interesseren voor wetenschappers die ze willen aanpassen om de functionaliteit van toekomstige opto-elektronica te vergroten, inclusief materialen die kwantuminformatie kunnen manipuleren.

In de studie, het team, waarbij ook medewerkers van de Northwestern University en twee Europese universiteiten betrokken waren, waargenomen twee soorten defecten in een enkele nanodraad. Het eerste soort defect, veroorzaakt door spanning, beïnvloedt de hele nanodraad, voorkomen dat het perfect recht groeit. Het tweede soort defect, stapelfout genoemd, komt voor dicht bij het atomaire niveau, als individuele vlakken van atomen worden vastgelegd om de nanodraad te verlengen.

"Om het verschil tussen stapelfouten en spanning te visualiseren, je kunt denken aan het schudden van een pak kaarten, " zei Argonne materiaalwetenschapper Stephan Hruszkewycz, een studie auteur. "Een stapelfout treedt op wanneer een kaart van de stapel onvolmaakt wordt geschud - alsof er twee kaarten uit de rechterhand komen voordat er een van de linkerkant kan komen."

Deformatie, Hruszkewycz legde uit, "ziet eruit alsof een toren met kaartspellen in een bepaalde richting is gekanteld in plaats van perfect recht te staan."

Omdat stapelfouten en spanning op zulke verschillende schalen voorkomen, Om te begrijpen hoe ze op elkaar inwerken om de kenmerken van een nanodraad te veranderen, moeten wetenschappers geavanceerde beeldtechnologie en complexe wiskundige algoritmen gebruiken.

Door een techniek genaamd Bragg ptychography te gebruiken om de defecten te observeren, de onderzoekers van Argonne creëerden een methode die ze konden gebruiken om de nanodraad in zijn werkomgeving te zien.

"We hebben een techniek ontwikkeld waarmee we de werkelijke lokale structuur in het materiaal kunnen onderzoeken, "Zei Hruszkewycz. "Dit zal ons in staat stellen waardevolle vergelijkingen te maken met theorieën die mensen hebben bedacht die beschrijven hoe deze defecten niet alleen de nanodraad kunnen beïnvloeden, maar maar het hele apparaat waarvan het een onderdeel is."

"De methode biedt een ontbrekende schakel tussen de defectstructuur op nanoschaal en variaties in spanning op schalen met een langere lengte, waardoor we de opto-elektronische eigenschappen van nanodraden beter kunnen beheersen, " zei professor Lincoln Lauhon, hoogleraar materiaalkunde aan de Northwestern University.

In Bragg-ptiekografie, onderzoekers schijnen een röntgenstraal op een reeks overlappende plekken over het hele materiaal, als een toneelknecht die langzaam een ​​schijnwerper over een toneel beweegt. De informatie die wordt geproduceerd door de verstrooiing van de röntgenstralen door de atomen, geeft onderzoekers een driedimensionaal beeld van het materiaal met een resolutie die dicht bij de atomaire resolutie ligt. De onderzoekers gebruikten de techniek bij Brookhaven's Hard X-ray Nanoprobe bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

"Beamline 3-ID is in staat om een ​​coherente nanofocusstraal te produceren, dus het is zeer geschikt voor het reconstrueren van afbeeldingen door middel van technieken zoals Bragg ptychografie, " zei Brookhaven lead beamline wetenschapper Yong Chu, een auteur van de studie. "Deze samenwerking is buitengewoon waardevol geweest voor het bevorderen van de Bragg-ptychografiemogelijkheden bij NSLS-II, evenals ons begrip van nanodraden."

Wetenschappers hebben onlangs de algoritmen verbeterd die deze afbeelding genereren, een verbetering die het proces voor het verzamelen van röntgeninformatie drastisch heeft veranderd. In plaats van een spot-by-spot grid-gebaseerde benadering te moeten gebruiken, zoals gedaan in eerdere ptychografische studies, Hruszkewycz en zijn medewerkers konden hun röntgenstraal vrijer bewegen, het verzamelen van nuttige informatie uit hun steekproef. "Het is alsof in plaats van een heel eenvoudige en repetitieve line-dance te doen, het enige wat we moeten doen is ervoor zorgen dat we onze voeten op een of ander punt op elk deel van de dansvloer plaatsen, " hij zei.

Deze flexibiliteit heeft nog een ander voordeel:het stelt onderzoekers in staat kleinere objecten te verlichten met een kleinere spotgrootte - grotendeels mogelijk gemaakt door röntgenzoneplaten vervaardigd door Michael Wojcik, een natuurkundige bij Argonne's Advanced Photon Source. Deze zoneplaten zijn een diffractieve optiek die bestaat uit verschillende radiaal symmetrische ringen, zogenaamde zones, die afwisselend ondoorzichtig en transparant zijn. Ze zijn zo uit elkaar geplaatst dat het door de transparante zones doorgelaten licht constructief interfereert met de gewenste focus.

"Als we ons doel proberen te raken, we hoeven geen Robin Hood te zijn, "Zei Hruszkewycz. "We moeten gewoon dichtbij genoeg komen om ergens op het doel te raken; we hoeven de spreekwoordelijke pijl niet te splitsen."

Een artikel gebaseerd op het onderzoek, "Het meten van driedimensionale spanning en structurele defecten in een enkele InGaAs-nanodraad met behulp van coherente X-ray multiangle Bragg-projectie ptychografie, " verscheen in de online editie van 18 januari van Nano-letters .