(Phys.org) —Quando un team di ingegneri dell'Università dell'Illinois ha deciso di coltivare nanofili di un semiconduttore composto sopra un foglio di grafene, non si aspettavano di scoprire un nuovo paradigma dell'epitassia.

I fili autoassemblati hanno un nucleo di una composizione e uno strato esterno di un'altra, un tratto desiderato per molte applicazioni elettroniche avanzate. Guidati dal professor Xiuling Li, in collaborazione con i professori Eric Pop e Joseph Lyding, tutti i professori di ingegneria elettrica e informatica, il team ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Nano lettere .

Nanofili, minuscole stringhe di materiale semiconduttore, hanno un grande potenziale per applicazioni nei transistor, celle solari, laser, sensori e altro.

"I nanofili sono davvero i principali elementi costitutivi dei futuri nano-dispositivi, " ha detto il ricercatore post-dottorato Parsian Mohseni, primo autore dello studio. "I nanofili sono componenti che possono essere utilizzati, in base al materiale con cui le fai crescere, per qualsiasi applicazione di elettronica funzionale."

Il gruppo di Li utilizza un metodo chiamato epitassia di van der Waals per far crescere i nanofili dal basso verso l'alto su un substrato piatto di materiali semiconduttori, come il silicio. I nanofili sono costituiti da una classe di materiali denominata III-V (tre-cinque), semiconduttori composti particolarmente promettenti per applicazioni che coinvolgono luce, come celle solari o laser.

Il gruppo in precedenza aveva riportato la crescita di nanofili III-V su silicio. Mentre il silicio è il materiale più utilizzato nei dispositivi, ha una serie di difetti. Ora, il gruppo ha coltivato nanofili del materiale arseniuro di indio e gallio (InGaAs) su un foglio di grafene, un foglio di carbonio dello spessore di 1 atomo con eccezionali proprietà fisiche e conduttive.

Grazie alla sua magrezza, il grafene è flessibile, mentre il silicio è rigido e fragile. Conduce anche come un metallo, consentendo il contatto elettrico diretto con i nanofili. Per di più, è poco costoso, scagliato via da un blocco di grafite o cresciuto da gas di carbonio.

"Uno dei motivi per cui vogliamo crescere sul grafene è stare lontano da substrati spessi e costosi, " Mohseni ha detto. "Circa l'80 per cento del costo di produzione di una cella solare convenzionale deriva dal substrato stesso. L'abbiamo eliminato semplicemente usando il grafene. Non solo ci sono vantaggi intrinseci in termini di costi, stiamo anche introducendo funzionalità che un substrato tipico non ha."

I ricercatori pompano gas contenenti gallio, indio e arsenico in una camera con un foglio di grafene. I nanofili si autoassemblano, crescendo da soli in un denso tappeto di fili verticali sulla superficie del grafene. Altri gruppi hanno coltivato nanofili su grafene con semiconduttori composti che hanno solo due elementi, ma utilizzando tre elementi, il gruppo dell'Illinois ha fatto una scoperta unica:i fili di InGaAs cresciuti sul grafene si segregano spontaneamente in un nucleo di arseniuro di indio (InAs) con un guscio di InGaAs attorno al filo.

"Questo è inaspettato, " Ha detto Li. "Molti dispositivi richiedono un'architettura core-shell. Normalmente si fa crescere il nucleo in una condizione di crescita e si cambiano le condizioni per far crescere il guscio all'esterno. Questo è spontaneo, fatto in un unico passaggio. L'altra cosa buona è che poiché è una segregazione spontanea, produce un'interfaccia perfetta."

Quindi cosa causa questa struttura spontanea del nucleo-guscio? Per caso, la distanza tra gli atomi in un cristallo di InAs è quasi uguale alla distanza tra numeri interi di atomi di carbonio in un foglio di grafene. Così, quando i gas vengono convogliati nella camera e il materiale inizia a cristallizzare, InAs si deposita sul grafene, una vestibilità quasi perfetta, mentre il composto di gallio si deposita all'esterno dei fili. Questo era inaspettato, perché normalmente, con l'epitassia di van der Waals, le rispettive strutture cristalline del materiale e del substrato non dovrebbero avere importanza.

"Non ce lo aspettavamo, ma una volta che l'abbiamo visto, aveva senso, " ha detto Moseni.

Inoltre, regolando il rapporto tra gallio e indio nel cocktail di semiconduttori, i ricercatori possono mettere a punto le proprietà ottiche e conduttive dei nanofili.

Prossimo, Il gruppo di Li prevede di realizzare celle solari e altri dispositivi optoelettronici con i loro nanofili coltivati ​​con grafene. Grazie sia alla composizione ternaria dei fili che alla flessibilità e conducibilità del grafene, Li spera di integrare i fili in un ampio spettro di applicazioni.

"In pratica abbiamo scoperto un nuovo fenomeno che conferma che il registro conta nell'epitassia di van der Waals, " disse Li.