Een onderzoeksteam van de Ehime University baande een weg om onontgonnen III-V halfgeleider-nanostructuren te bereiken. Ze groeiden vertakte GaAs-nanodraden met een niet-toxisch Bi-element met behulp van karakteristieke structurele modificaties die zijn gecorreleerd met metalen druppeltjes, evenals kristallijne defecten en oriëntaties. De bevinding biedt een rationeel ontwerpconcept voor het creëren van halfgeleider-nanostructuren met de concentratie van bestanddelen boven de fundamentele limiet, waardoor het mogelijk toepasbaar is op nieuwe efficiënte nabij-infraroodapparaten en kwantumelektronica.

Nanodraad is een staafstructuur met een diameter die doorgaans smaller is dan enkele honderden nanometers. Door zijn grootte en structuur, het vertoont karakteristieke eigenschappen die niet worden gevonden in grotere bulkmaterialen. De studie van III-V halfgeleider nanodraden heeft de afgelopen decennia veel belangstelling getrokken vanwege hun potentiële toepassing in kwantum op nanoschaal, fotonisch, elektronisch, en energieconversie, en in biologische apparaten, op basis van hun eendimensionale aard en grote verhouding tussen oppervlakte en volume. De introductie van een epitaxiale heterostructuur vergemakkelijkt de controle van het transport en de elektronische eigenschappen van dergelijke apparaten, toont het potentieel voor het realiseren van geïntegreerde systemen op basis van III-V-verbindingen en Si met superieure elektronische en optische functies.

III-V samengestelde halfgeleiders zijn een van de hoogste in mobiliteit en foton-elektron conversie-efficiëntie die er bestaat. Onder hen, GaAs is een representatieve III-V samengestelde halfgeleider, die wordt gebruikt voor hogesnelheidstransistoren, evenals zeer efficiënte nabij-infrarood lichtgevende diodes, lasers, en zonnecellen. Optische apparaten op basis van III-V GaAs lijden aan intrinsieke verliezen in verband met warmteopwekking. Om dit te omzeilen, het gebruik van een verdunde bismide GaAsBi-legering met een niet-toxisch Bi-element heeft onlangs de aandacht getrokken omdat de introductie van Bi de warmteontwikkeling onderdrukt en de efficiëntie van de elektronen-lichtomzetting verhoogt. Daarom, het opnemen van verdunde bismide GaAsBi-legering in nanodraden is een rationele benadering voor het ontwikkelen van hoogwaardige opto-elektronische nanodevices. In de tussentijd, vertakte of boomachtige nanodraden bieden een benadering om de structurele complexiteit te vergroten en de resulterende functies te verbeteren die op hun beurt de realisatie van structuren met een hogere dimensionaliteit mogelijk maken, laterale connectiviteit, en onderlinge verbinding tussen de nanodraden.

Met behulp van een atomair nauwkeurige kristalgroeitechniek genaamd moleculaire bundelepitaxie, de Ehime University-groep controleerde de vorming van Bi-geïnduceerde nanostructuren in de groei van vertakte GaAs / GaAsBi core-shell nanodraden. Dus, ze baanden een weg om onontgonnen III-V halfgeleider-nanostructuren te bereiken door gebruik te maken van de karakteristieke oververzadiging van katalysatordruppeltjes, structurele modificaties veroorzaakt door spanning, en opname in de gastheer GaAs-matrix gecorreleerd met kristallijne defecten en oriëntaties.

Het wetenschappelijke artikel dat hun resultaten presenteert, werd op 17 september gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters .

De groep had eerder GaAs/GaAsBi heterostructuur nanodraden op Si verkregen met een 2 procent kleinere Bi-concentratie dan het vorige rapport. De nanodraden vertoonden specifieke structurele kenmerken, met een ruw oppervlak met golvingen, die waarschijnlijk werden veroorzaakt door de grote roostermismatch en resulterende spanningsaccumulatie tussen de GaAs- en GaAsBi-legering. Ook, Bi werkt als een oppervlakteactieve stof bij het regelen van de oppervlakte-energie, waardoor de synthese van nanostructuren wordt uitgelokt. Echter, de impact van Bi-introductie op de groei van GaAsBi-legeringen is nog lang niet volledig begrepen. In het rapport, ze onderzoeken de kenmerken en groeimechanismen van GaAs / GaAsBi core-shell meerlagige NW's op Si (111) substraten, gericht op de structurele vervorming veroorzaakt door Bi. Om vertakte III-V nanodraden te synthetiseren, conventioneel, metalen katalysator nanodeeltjes, meestal Au, worden gebruikt als kiemvormende zaden voor de groei van de takken. Anderzijds, de groep gebruikte zelfkatalysator Ga- en Bi-druppeltjes die de introductie van onzuiverheden van niet-bestanddelen kunnen onderdrukken. Als Ga tijdens de groei een tekort heeft, Bi hoopt zich op op de top van GaAs-nanodraden in de kern en dient als nanodraadgroeikatalysator voor de vertakte structuren tot een specifiek kristallijn azimut. Er is een sterke correlatie tussen Bi-accumulatie en stapelfouten. Verder, Bi is bij voorkeur opgenomen op een beperkte GaAs-oppervlakteoriëntatie, wat leidt tot ruimtelijk selectieve Bi-opname in een beperkt gebied met een Bi-concentratie die 7 procent boven de fundamentele limiet ligt. De verkregen GaAs/GaAsBi/GaAs heterostructuur met het grensvlak gedefinieerd door de kristallijne tweelingdefecten van één atomaire laag, die mogelijk kan worden toegepast op een kwantumbegrensde structuur.

De bevinding biedt een rationeel ontwerpconcept voor het creëren van op GaAsBi gebaseerde nanostructuren en de controle van Bi-opname voorbij de fundamentele limiet. Deze resultaten geven het potentieel aan voor een nieuwe halfgeleider-nanostructuur voor efficiënte nabij-infraroodapparaten en kwantumelektronica.