Επιστήμονες κατάφεραν να αναπτύξουν με μεγάλη ακρίβεια νανοσύρματα που εκπέμπουν φως που μπορούν να ελέγξουν

Μια καινούρια προσέγγιση στη ανάπτυξη νανοσυρμάτων υπόσχεται ένα νέο μέσο ελέγχου των ηλεκτρονικών τους ιδιοτήτων και των ιδιοτήτων τους να εκπέμπουν φως. Επιστήμονες από το Εθνικό Εργαστήριο, Lawrence Berkeley, του Τμήματος Ενέργειας των ΗΠΑ (Berkeley Lab), με μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nano Letters, πρότειναν μια νέα τεχνική ανάπτυξης που χρησιμοποιεί ειδικά κατασκευασμένους καταλύτες. Αυτοί οι καταλύτες που είναι προπομποί για την ανάπτυξη των νανοσυρμάτων, έχουν δώσει στους επιστήμονες περισσότερες από ποτέ επιλογές, στο να αλλάζουν το χρώμα του φωτός που εκπέμπεται από τα νανοσυρματα.

Η νέα αυτή προσέγγιση θα μπορούσε, εν δυνάμει, να εφαρμοστεί σε μια ποικιλία από υλικά και να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή επόμενης γενιάς συσκευών, όπως ηλιακές κυψέλες, LEDs, ηλεκτρονικά υψηλής ισχύος και άλλα, λέει ο Shaul Aloni, ο επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, επιστήμονας στο Molecular Foundry του Berkeley Lab, μιας ερευνητικής εγκατάστασης του Τμήματος Ενέργειας.

Από τις αρχές του 2000, έχει σημειωθεί σταθερή πρόοδος στην «καλλιέργεια» νανοσυρμάτων. Αρχικά, σύμφωνα με τους ερευνητές, τα πρώτα νανοσύρματα έμοιαζαν με «μπερδεμένα noodles ή με δάση που έχουν καταστραφεί από πυρκαγιά». Πιο πρόσφατα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν διάφορες συνθήκες που οδήγησαν στην ανάπτυξη περιοχών με περισσότερο τακτοποιημένα νανοσύρματα. Για παράδειγμα, ορισμένα υποστρώματα στα οποία η ανάπτυξη των νανοσυρμάτων διαμορφώνει συνθήκες ώστε οι προσανατολισμοί της ανάπτυξής τους να υπαγορεύονται από την υποκείμενη κρυσταλλική δομή του υποστρώματος. Δυστυχώς, αυτή και άλλες προσεγγίσεις δεν είναι ασφαλείς και ακόμη μερικά νανοσύρματα γίνονται μη διαχειρήσιμα.

Νανοσύρματα που αναπτύχθηκαν με χρήση καταλυτών πλούσιων σε χρυσό (επάνω) και νικέλιο (κάτω). Credit: Berkeley Lab

Επιπλέον, δεν υπάρχει απλός τρόπος να αναπτυχθούν διαφορετικοί τύποι νανοσυρμάτων στο ίδιο περιβάλλον και στο ίδιο υπόστρωμα. Αυτό, για παράδειγμα, θα ήταν πολύ χρήσιμο αν ήθελε κάποιος να αναπτύξει επιλεκτικά νανοσύρματα με διάφορες ηλεκτρονικές ή οπτικές ιδιότητες στην ίδια παρτίδα. «Στο Molecular Foundry στοχεύουμε να αναπτύξουμε νέες στρατηγικές και να προσθέσουμε νέα εργαλεία σε αυτά που χρησιμοποιούμε για την σύνθεση νανοϋλικών», δήλωσε ο Aloni. «Για χρόνια αναζητούσαμε για έξυπνους τρόπους να αναπτύξουμε νανοδομές με διαφορετικές οπτικές ιδιότητες στις ίδιες συνθήκες ανάπτυξης. Η κατασκευή των καταλυτών μας φέρνει πιο κοντά στην επίτευξη αυτού του στόχου».

Οι ερευνητές εστίασαν σε νανοσύρματα κατασκευασμένα από αζωτούχο γάλλιο (νιτρίδιο του γαλλίου). Στη κανονική (όχι σε νανοκλίμακα) μορφή του το νιτρίδιο του γαλλίου εκπέμπει φως στην περιοχή του μπλε ή σε αυτή του υπεριώδους. Αν προστεθούν σε αυτό άτομα ινδίου (στοιχείο που βρίσκεται ακριβώς κάτω από το γάλλιο στον Περιοδικό Πίνακα των Στοιχείων) η περιοχή εκπομπής μπορεί να επεκταθεί περιλαμβάνοντας ακόμη και το κόκκινο, ουσιαστικά κάνοντάς το μια ευρέως φάσματος ρυθμιζόμενη πηγή ορατού φωτός. Το πρόβλημα είναι ότι αυτή η πρόσθεση ατόμων ινδίου καταπονεί την κρυσταλλική δομή του νιτριδίου του γαλλίου, πράγμα που οδηγεί σε συσκευές φτωχής απόδοσης. Επειδή τα νανοσύρματα του νιτριδίου του γαλλίου, ωστόσο, δεν έχουν το ίδιο τύπο καταπόνησης του κρυστάλλου, οι επιστήμονες ελπίζουν να τα χρησιμοποιήσουν ως ρυθμιζόμενες, ευρέως φάσματος, πηγές φωτός.

Για να πετύχουν το έλεγχο που θέλανε τα μέλη της ομάδας εστίασαν στη κατάλυση που οδηγούσε την ανάπτυξη του νανοσύρματος. Κανονικά, οι ερευνητές χρησιμοποιούν καταλύτες κατασκευασμένους από ένα απλό μέταλλο. Στη θέση του, η ομάδα του Berkeley, αποφάσισε να χρησιμοποιήσει ως καταλύτη κράματα χρυσού και νικελίου.

Στη μελέτη τους οι ερευνητές βρήκαν ότι ο προσανατολισμός της ανάπτυξης του νανοσύρματος νιτριδίου του γαλλίου, εξαρτάται ισχυρά από τη σχετική συγκέντρωση του νικελίου και του χρυσού στον καταλύτη. Με την αλλαγή των συγκεντρώσεων στο κράμα, οι ερευνητές μπορούσαν με ακρίβεια να διαχειριστούν τον προσανατολισμό των νανοσυρμάτων, ακόμη και στο ίδιο υπόστρωμα της ίδιας παρτίδας. «Κανείς προηγουμένως δεν είχε χρησιμοποιήσει διμεταλλικό καταλύτη για να ελέγξει την κατεύθυνση της ανάπτυξης», είπε ο Tevye Kuykendall, ένα άλλο μέλος της ομάδας. Συμπλήρωσε ακόμη πως ο μηχανισμός που οδηγεί την νέα διαδικασία ανάπτυξης δεν είναι πλήρως κατανοητός, αλλά σχετίζεται με τις διαφορετικές τάσεις του χρυσού και του νικάλιου να ευθυγραμμιστούν με τις ποικίλες κρυσταλλογραφικές επιφάνειες σε σημείο που να αρχίσουν να αναπτύσσονται τα νανοσύρματα.

Οι ερευνητές, επίσης, έδειξαν ότι ανάλογα με την επιλογή της κατεύθυνσης της ανάπτυξης, παρατηρήθηκαν διαφορετικές οπτικές ιδιότητες χάρις στην έκθεση των κρυσταλλικών επιφανειών στην επιφάνεια του νανοσύρματος. «Ένα από τα πράγματα που κάνουν τις νανοδομές ενδιαφέρουσες, είναι ότι η επιφάνεια παίζει ένα ευρύτερο ρόλο στον καθορισμό των ιδιοτήτων του υλικού», δήλωσε ο Aloni. Αυτό οδηγεί σε αλλαγές στις οπτικές ιδιότητες που δεν φαίνονται στα μακροσκοπικής κλίμακας υλικά, καθιστώντας τα έτσι χρήσιμα. Η ομάδα, σύμφωνα με τον Aloni, θα εστιάσει, στο επόμενο βήμα της, περισσότερο στη χημεία των διαφορετικών επιφανειών του νανοσύρματος για να χειριστεί περαιτέρω τις οπτικές ιδιότητες του νανοσύρματος.

Πηγή: Berkeley Lab

Περισσότερα στο άρθρο: Catalyst-Directed Crystallographic Orientation Control of GaN Nanowire Growth, Nano Lett., 2014, 14 (12), pp 6767–6773