Schema del processo di crescita ibrido nucleo-guscio
(PhysOrg.com) -- I ricercatori dell'Università del Maryland hanno creato un modo completamente nuovo per produrre materiali semiconduttori di alta qualità fondamentali per la microelettronica avanzata e la nanotecnologia. Pubblicato nel numero del 26 marzo di Scienza , la loro ricerca è un passo avanti fondamentale nella scienza dei nanomateriali che potrebbe portare a significativi progressi nei chip per computer, celle fotovoltaiche, biomarcatori e altre applicazioni, secondo gli autori e altri esperti.
"Questo è un importante, grande progresso che mostra che è possibile fare qualcosa che prima era impossibile fare, ", ha affermato Francesco Stellacci, professore associato del Massachusetts Institute of Technology, il cui lavoro si concentra sulla scoperta di nuove proprietà nei materiali su scala nanometrica e sullo sviluppo di nuovi schemi di nanofabbricazione. "Questa ricerca mostra in realtà che è possibile su scala nanometrica per due materiali coesistere felicemente alla loro interfaccia, due materiali che altrimenti non coesisteranno, " ha spiegato Stellacci, che non è stato coinvolto nello studio.
Guidato da Min Ouyang, un assistente professore presso il dipartimento di fisica e il Maryland NanoCenter, il team dell'Università del Maryland ha creato un processo che utilizza la termodinamica chimica per produrre, in soluzione, un'ampia gamma di diverse combinazioni di materiali, ciascuno con un guscio di semiconduttore monocristallino strutturalmente perfetto attorno a un nucleo metallico.
Ouyang e i colleghi ricercatori Jiatao Zhang, Yun Tang e Kwan Lee, dicono che il loro metodo offre una serie di vantaggi rispetto al processo esistente, noto come epitassia, utilizzato per creare semiconduttori a cristallo singolo e relativi dispositivi. Il più grande vantaggio del loro processo non epitassiale potrebbe essere che evita due vincoli chiave dell'epitassia:un limite allo spessore dello strato di semiconduttore di deposizione e un requisito rigido per "l'adattamento del reticolo".
I vincoli del metodo epitassiale limitano i materiali che possono essere formati con esso. Per esempio, autori Ouyang, Zhang, Tang e Lee notano che i tentativi di utilizzare l'epitassia per ottenere il tipo di nanostrutture ibride nucleo-guscio che dimostrano nel loro articolo non hanno avuto successo.
"Il nostro processo dovrebbe consentire la creazione di materiali che producano componenti microelettronici multifunzionali altamente integrati; meglio, materiali più efficienti per le celle fotovoltaiche; e nuovi biomarcatori, " disse Ouyang, che ha notato che la sua squadra è in procinto di richiedere un brevetto. "Prevediamo ad esempio di poter utilizzare questo metodo per creare nuovi tipi di celle fotovoltaiche dieci volte più efficienti nel convertire la luce solare in elettricità rispetto alle celle attuali.
"Il nostro metodo non richiede una camera bianca e i materiali non devono essere formati nel vuoto come fanno quelli prodotti dall'epitassia convenzionale, " Ha detto Ouyang. "Così sarebbe anche molto più semplice ed economico per le aziende produrre materiali di massa con il nostro processo".
L'epitassia è uno dei capisaldi dell'industria contemporanea dei semiconduttori e delle nanotecnologie. È stato considerato il metodo più conveniente per la crescita di cristalli di alta qualità per molti materiali semiconduttori tra cui silicio-germanio, nitruro di gallio, arseniuro di gallio, fosfuro di indio e grafene.
Immagini al microscopio elettronico a trasmissione 3D di nanostrutture core-shell ibride Au-CdS che possiedono un guscio CdS monocristallino e varie strutture reticolari del nucleo Au disuguali.
Un salto quantico
Il nuovo metodo può essere utilizzato anche per progettare e fabbricare strutture quantistiche artificiali che aiutano gli scienziati a comprendere e manipolare la fisica di base dell'elaborazione delle informazioni quantistiche su scala nanometrica, disse Ouyang, notando che lui e il suo team hanno un documento separato sulle applicazioni della scienza quantistica di questo metodo che si aspettano di essere pubblicato nel prossimo futuro.
Questo lavoro è stato sostenuto dall'Office of Naval Research, la National Science Foundation (NSF) e la Beckman Foundation. Il supporto della struttura proveniva dal Maryland Nanocenter e dalla sua Nanoscale Imaging, Laboratorio di Spettroscopia e Proprietà, che è supportato in parte dalla NSF come struttura di sperimentazione condivisa dei centri di ricerca e ingegneria dei materiali.
