Vědci staví „cool“ nanowire

Nová metoda umožňuje nákladově efektivní výrobu křemíkových nanočástic

Transmisní elektronový mikrograf průřezu hliníkovou křemíkovou dvojvrstvou během zahřívání. Obrázek ukazuje, jak křemík již proudí při teplotě 120 ° C do prostorů mezi sousedními krystaly hliníku (červená: křemík, modrá: hliník). © MPI pro inteligentní systémy
číst nahlas

Vědci Maxe Plancka poprvé vyrobili krystalické polovodičové nanočástice i při poměrně nízkých teplotách 150 ° C, za použití levných katalyzátorů, jako je hliník. Rovněž mohou ukládat nanostrukturované polovodiče přímo na plastové povrchy citlivé na teplo, píšou v časopise "Advanced Materials".

Polovodičové nanowire jsou klíčovými materiály pro vývoj levnějších a efektivnějších solárních článků a baterií se zvýšenou skladovací kapacitou. Kromě toho jsou důležitými stavebními kameny pro nanoelektroniku.

Drahý katalyzátor

Základem pro výrobu takových nanočástic z křemíku nebo germania je stále proces, který byl poprvé popsán v roce 1964. S takzvaným mechanismem VLS (Vapor Liquid Solid Mechanism) slouží částice kovového katalyzátoru jako růstová jádra pro dráty. Za tímto účelem jsou kovové částice naneseny na pevný substrát, roztaveny a vystaveny plynné atmosféře obsahující křemík nebo germanium. Výsledkem je, že kovové kapičky zachycují atomy plynu z plynu, dokud nejsou přesyceny a nadbytek polovodiče krystalizuje na hranici substrátu - roste nanočástice.

Katalyzátor používaný v tomto procesu je většinou zlato, protože může absorbovat velké množství křemíku nebo germania jako taveninu. Použití nákladného katalyzátoru a vysoká procesní teplota 600 až 900 ° C se však odrážejí ve výrobních nákladech.

Stačí 150 ° C

Výzkumníci v oblasti materiálů vedeni Ericem Mittemeijerem z Institutu Maxe Plancka pro inteligentní systémy nyní objevili proces, který umožňuje výrobu polovodičových nanočástic při mnohem nižších teplotách jen 150 ° C. Umožňuje také použití levných katalyzátorů, jako je hliník. Spolu s kolegy z Stuttgartského centra pro elektronovou mikroskopii, výzkumného ústavu ve stejném ústavu, dokázali v reálném čase pozorovat růst nanočástic v atomovém měřítku. zobrazit

Vědci vytvořili dvojitou vrstvu krystalického hliníku a amorfního křemíku. Vrstva byla vyrobena ve vakuu a při teplotě místnosti pomocí tepelného odpařování. Zatímco atomy jsou disordered v amorfní křemíkové fázi, oni jsou uspořádáni v hliníkové vrstvě v pravidelné krystalové mřížce. Zde tvoří miliardy drobných krystalů hliníku, každý o velikosti asi 50 nanometrů. Křišťálová zrna těsně sousedí a spolu s jejich hranicemi vytvářejí v hliníkové vrstvě dvourozměrnou síť hraničních zrn.

Vlevo: Transmisní elektronový mikrograf (pohled shora) ukazující, jak se tvoří krystalická struktura křemíkových nanočástic podél hranic mezi sousedními krystaly hliníku při 170 ° C. (červená: křemík, modrozelená: hliník). Vpravo: skenovací elektronový mikrograf (v úhlu 30 stupňů) ukazující vzor křemíkových nanočástic poté, co byl hliník odstraněn chemickým leptáním. MPI pro inteligentní systémy

Drobné krystalické nanočástice

Protože vědci dokázali přímo sledovat pomocí analytické transmisní elektronové mikroskopie, atomy křemíku začaly proudit z křemíkové vrstvy v hliníkovém katalyzátoru při teplotě pouze 120 ° C. Při takových nízkých teplotách je hliníkový katalyzátor pevný a navíc nemůže absorbovat atomy křemíku.

Mikroskopické studie podle vědců ukazují, že atomy křemíku se místo toho orientují na hranice mezi krystaly hliníku. Jak se stále více atomů křemíku hromadí na hranicích zrn hliníku, postupně se přeskupují do malých krystalických nanočástic, protože to snižuje celkovou energii systému. Výsledkem je síť krystalických nanodromů, jejichž vzory jsou diktovány hraniční sítí zrn hliníku. Tímto způsobem lze vyrobit dráty o tloušťce pouhých 15 nanometrů.

Nízké teploty, levné katalyzátory

Mechanismus růstu nanowirů objevený vědci ve Stuttgartu se evidentně zásadně liší od konvenčního mechanismu růstu VLS. Konkrétně nová metoda růstu nevyžaduje rozpustnost polovodiče v kovovém katalyzátoru, a proto může být použita při poměrně nízkých teplotách.

Kromě toho mohou vědci v oblasti materiálů měnit velikost hliníkových zrn a tím i tvar mezní sítě zrn hliníku podle potřeby k vytvoření požadovaného vzoru křemíkových nanovláken. Hliníkový katalyzátor lze velmi snadno odstranit selektivním leptáním.

Vzhledem k tomu, že hliníkové fólie se již po desetiletí používají v mikroelektronice, byla jejich výroba a zpracování mnohokrát testována. Podle vědců však mohou být pro tento proces vhodné i jiné katalyzátory. Další výhoda: Díky této technologii lze nanostrukturované silikonové komponenty aplikovat přímo na většinu plastů, i když jsou citlivé na teplo. (Pokročilé materiály, 2011; doi: 10.1002 / adma.201002997)

(MPG, 28.03.2011 - DLO)