Questa è un'immagine al microscopio elettronico a trasmissione di "nano LED" che emettono luce. Credito:NIST
Mentre perfezionano il loro nuovo metodo per realizzare fili su scala nanometrica, i chimici del National Institute of Standards and Technology hanno scoperto un vantaggio inaspettato:un nuovo modo per creare nanofili che producono luce simile a quella dei diodi a emissione di luce (LED). Questi "nano-LED" potrebbero un giorno far funzionare le loro capacità di emissione di luce servendo dispositivi in miniatura come nanogeneratori o sistemi lab-on-a-chip.
I nanofili sono tipicamente "cresciuti" dalla deposizione controllata di molecole:ossido di zinco, per esempio, da un gas su un materiale di base, un processo chiamato deposizione chimica da fase vapore (CVD). La maggior parte delle tecniche CVD forma nanofili che salgono verticalmente dalla superficie come setole di spazzole. Poiché il filo entra in contatto con il substrato solo a un'estremità, tende a non condividere le caratteristiche con il materiale del substrato, un tratto meno che preferito perché l'esatta composizione del nanofilo sarà quindi difficile da definire. La crescita verticale produce anche una fitta foresta di nanofili, rendendo difficile trovare e riposizionare singoli fili di qualità superiore.
Per rimediare a queste carenze, I chimici del NIST Babak Nikoobakht e Andrew Herzing hanno sviluppato un metodo "diretto alla superficie" per far crescere i nanofili orizzontalmente attraverso il substrato (vedi www.physorg.com/news112625999.html).
Il grafico illustra una singola fila di nanofili (cilindri con parti superiori rosse) con nanopareti a forma di pinna che si estendono verso l'esterno. L'immagine al microscopio elettronico a trasmissione mostra quattro file di nanofili e le loro nanopareti corrispondenti, soprannominati "nano LED" perché emettono luce quando sono caricati elettricamente. La distanza attraverso la micrografia è approssimativamente il diametro di un capello umano. Credito:NIST
Come molti metodi CVD di crescita verticale, la tecnica di fabbricazione del NIST utilizza l'oro come catalizzatore per la formazione dei cristalli. La differenza è che l'oro depositato con il metodo NIST viene riscaldato a 900 gradi Celsius (1, 652 gradi Fahrenheit), convertendolo in una nanoparticella che funge da sito di crescita e mezzo per la cristallizzazione delle molecole di ossido di zinco. Man mano che il nanocristallo di ossido di zinco cresce, spinge la nanoparticella d'oro lungo la superficie del substrato (in questo esperimento, nitruro di gallio) per formare un nanofilo che cresce orizzontalmente attraverso il substrato e quindi mostra proprietà fortemente influenzate dal suo materiale di base.
In un recente lavoro pubblicato su ACS Nano , Nikoobakht e Herzing hanno aumentato lo spessore della nanoparticella del catalizzatore d'oro da meno di 8 nanometri a circa 20 nanometri. Il cambiamento ha portato a nanofili che hanno sviluppato una struttura secondaria, una "pinna dorsale" simile a uno squalo (denominata "nanowall") in cui la porzione di ossido di zinco è ricca di elettroni e la porzione di nitruro di gallio è povera di elettroni. L'interfaccia tra questi due materiali, nota come eterogiunzione p-n, consente agli elettroni di fluire attraverso di essa quando la combinazione di nanofili e nanopareti è stata caricata con elettricità. A sua volta, il movimento degli elettroni ha prodotto luce e ha portato i ricercatori a soprannominarlo un "nano LED".
A differenza delle precedenti tecniche per la produzione di eterogiunzioni, il metodo di fabbricazione "surface-directed" del NIST rende facile individuare le singole eterogiunzioni sulla superficie. Questa caratteristica è particolarmente utile quando un gran numero di eterogiunzioni deve essere raggruppato in una matrice in modo che possano essere caricate elettricamente come un'unità emettitrice di luce.
Il grafico illustra una singola fila di nanofili (cilindri con parti superiori rosse) con nanopareti a forma di pinna che si estendono verso l'esterno. L'immagine al microscopio elettronico a trasmissione mostra quattro file di nanofili e le loro nanopareti corrispondenti, soprannominati "nano LED" perché emettono luce quando sono caricati elettricamente. La distanza attraverso la micrografia è approssimativamente il diametro di un capello umano. Credito:NIST
L'esame al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) dei nanofili e delle nanopareti di nitruro di ossido di zinco-gallio ha rivelato pochi difetti strutturali nei nanofili e eterogiunzioni p-n molto distinte nelle nanopareti, entrambe affermazioni dell'efficacia del metodo di fabbricazione "surface direct" del NIST.
Nikoobakht e Herzing sperano di migliorare i nano LED in esperimenti futuri utilizzando una migliore geometria e design dei materiali, e poi applicarli nello sviluppo di sorgenti luminose e rivelatori utili in dispositivi fotonici o piattaforme lab-on-a-chip.