Voor jaren, onderzoekers hebben geprobeerd manieren te vinden om een ​​optimale nanodraad te laten groeien, met behulp van kristallen met perfect uitgelijnde lagen langs de hele draad.

Een team van Nebraska Engineering-onderzoekers - Peter Sutter, Eli Sutter en Shawn Wimer - zien een voordeel in natuurlijke imperfectie.

Door hun onderzoek, benadrukt in een brief gepubliceerd in de 22 april-editie van het tijdschrift Natuur , de groep ontdekte dat een defect - een schroefdislocatie - dat optreedt in het groeiproces ervoor zorgt dat de kristallagen langs een as roteren terwijl ze zich vormen. Dit defect creëert wendingen die deze nanodraden voordelen geven, vooral in elektronica en lichtemissie.

"In gelaagde nanodraden, we hebben in feite een nieuwe architectuur die een kristaldraai tussen tweedimensionale materialen implementeert, " zei Peter Sutter, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek. "We gaan ervan uit dat je zulke twist-moiré-structuren kunt maken of ze zelf kunt laten maken, en als we de draden het werk zelf laten doen, de natuur introduceert dit defect, een draai."

Typisch, materialen met gedraaide interfaces zijn kunstmatig gemaakt van twee atomair dunne 2D-kristallen. Wanneer deze kristallen nauwgezet op elkaar worden geplaatst, een kleine rotatie tussen hen - een tussenlaagse twist - veroorzaakt een moiré, of een slagpatroon dat verandert met de draaihoek en veel groter is dan de afstand van de atomen in het materiaal. De beweging van elektronen in dit slagpatroon kan nieuwe verschijnselen veroorzaken, zoals supergeleiding of systematische veranderingen in de kleur van het uitgestraalde licht.

Het team van Sutters koos voor een andere benadering om deze wendingen te realiseren door nanodraden te laten groeien die uit 2D-lagen bestaan. Ze namen kleine deeltjes goud, verhitte ze en overspoelde ze met een damp van germaniumsulfide. Bij hoge temperaturen, de gouddeeltjes smolten en legerden zich met het germaniumsulfide.

"Op een gegeven moment, het raakt verzadigd en kan er niet meer van opnemen. Dan heeft het een keuze:niet meer opnemen en er aan de oppervlakte een film over laten groeien, of blijf proberen meer te absorberen, " zei Eli Sutter, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek. "Het blijkt dat deze deeltjes gretig zijn naar germaniumsulfide."

De gouddeeltjes bleven de damp absorberen, maar raakten te verzadigd om alles vast te houden en begonnen gelaagde kristallen van germaniumsulfide te groeien, één per gouddeeltje. Toen het germaniumsulfide werd verdreven, de kristallen werden langer en veranderden in nanodraden van ongeveer 1, 000 keer dunner dan een mensenhaar.

Het team ontdekte dat elk van deze draden een schroefdislocatie had, die een spiraalvormige structuur en de twist tussen hun kristallagen produceerden.

Om de eigenschappen van hun spiraalvormige gedraaide nanodraden te onderzoeken, het team gebruikte een gerichte elektronenstraal om de emissie van licht uit minuscule delen van hun nanodraden te stimuleren. Wanneer de aangeslagen elektronen ontspannen, ze zenden licht uit met een karakteristieke kleur of frequentie, die de onderzoekers optekenden.

Door een onvolmaakte stapel gedraaide lagen toe te staan, de germaniumsulfide-nanodraden zenden verschillende kleuren licht uit op verschillende punten langs de draad. Dit maakt het mogelijk om de band gap af te stemmen en de energie van geabsorbeerd of uitgezonden licht te regelen.

"We hebben kunnen laten zien dat er nieuwe, toegankelijke lichtemissie-eigenschappen die langs de draad veranderen omdat het moiré-register verandert, ' zei Eli Sutter.

Gedraaide nanodraden van germaniumsulfide, een halfgeleider, toepassingen kunnen hebben zoals het oogsten van energie, afstembare lichtbronnen, of computer van de volgende generatie.

De onderzoekers, echter, zei dat hun volgende stap is om te begrijpen waarom de kleur van het uitgestraalde licht langs de draad verandert en mogelijk vergelijkbare resultaten te bereiken met andere materialen.

"We moeten de gevolgen van de spiraalvormige twist-structuur beter begrijpen. We verwachten dat getwiste nanodraden nog veel andere verrassingen voor ons in petto hebben, ' zei Peter Sutter.

Dit materiaal is gebaseerd op werk dat wordt ondersteund door de National Science Foundation onder Grant No. DMR-1607795. Eventuele meningen, bevindingen, en conclusies of aanbevelingen die in dit materiaal worden uitgedrukt, zijn die van de auteur(s) en weerspiegelen niet noodzakelijk de standpunten van de National Science Foundation.