Un nuovo approccio alla crescita dei nanofili promette un nuovo mezzo di controllo sulle loro proprietà di emissione di luce ed elettroniche. In un recente numero di Nano lettere , gli scienziati del Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno dimostrato una nuova tecnica di crescita che utilizza catalizzatori appositamente progettati. Questi catalizzatori, che sono i precursori della crescita dei nanofili, hanno offerto agli scienziati più opzioni che mai per cambiare il colore dei nanofili che emettono luce.

Il nuovo approccio potrebbe essere potenzialmente applicato a una varietà di materiali ed essere utilizzato per realizzare dispositivi di prossima generazione come celle solari, diodi emettitori di luce, elettronica ad alta potenza e non solo, dice Shaul Aloni, scienziato dello staff della fonderia molecolare del Berkeley Lab, una struttura per gli utenti DOE, e autore principale dello studio.

Dai primi anni 2000, gli scienziati hanno compiuto progressi costanti nella coltivazione dei nanofili. Inizialmente, i primi campioni di nanofili assomigliavano a "tagliatelle aggrovigliate o foreste devastate dagli incendi, " secondo i ricercatori. Più recentemente, gli scienziati hanno scoperto che varie condizioni portano alla crescita di array di nanofili più ordinati.

Ad esempio, alcuni substrati su cui crescono i nanofili creano le condizioni in modo che l'orientamento di crescita dei nanofili sia dettato dalla struttura cristallina sottostante del substrato. Sfortunatamente, questo e altri approcci non sono stati infallibili e alcuni nanofili continuano a diventare canaglia.

Inoltre, non esiste un modo semplice per far crescere diversi tipi di nanofili nello stesso ambiente e sullo stesso substrato. Questo sarebbe utile se volessi coltivare in modo selettivo nanofili con proprietà elettroniche o ottiche diverse nello stesso lotto, Per esempio.

"A Molecular Foundry puntiamo a sviluppare nuove strategie e aggiungere nuovi strumenti al bagaglio di trucchi utilizzati per la sintesi dei nanomateriali, " afferma Aloni. "Per anni abbiamo cercato modi più intelligenti per coltivare nanostrutture con proprietà ottiche diverse in condizioni di crescita identiche. Progettare il catalizzatore ci avvicina al raggiungimento di questo obiettivo".

I ricercatori si sono concentrati sui nanofili fatti di nitruro di gallio. Nella sua forma bulk (non su scala nanometrica), il nitruro di gallio emette luce nella gamma del blu o dell'ultravioletto. Se si aggiungono atomi di indio, la gamma può essere estesa per includere il rosso, essenzialmente rendendolo una sorgente luminosa sintonizzabile ad ampio spettro nella gamma visibile.

Il problema è che l'aggiunta di atomi di indio mette sotto stress la struttura cristallina del nitruro di gallio, che porta a dispositivi poco performanti. nanofili di nitruro di gallio, però, non sperimentare lo stesso tipo di tensione cristallina, quindi gli scienziati sperano di usarli come sintonizzabili, sorgenti luminose ad ampio spettro.

Per ottenere il loro controllo, il team si è concentrato sulla catalisi che guida la crescita dei nanofili. Normalmente, i ricercatori utilizzano catalizzatori costituiti da un singolo metallo. Il team di Berkeley ha deciso di utilizzare miscele metalliche di oro e nichel, chiamate leghe, come catalizzatori invece.

Nello studio, i ricercatori hanno scoperto che l'orientamento della crescita dei nanofili di nitruro di gallio dipendeva fortemente dalla concentrazione relativa di nichel e oro all'interno del catalizzatore. Alterando le concentrazioni nella lega, i ricercatori potrebbero manipolare con precisione, anche sullo stesso supporto nello stesso lotto, l'orientamento dei nanofili.

"Nessuno aveva usato catalizzatori bimetallici per controllare la direzione di crescita prima, "dice Tevye Kuykendall, scienziato presso la fonderia molecolare del Berkeley Lab. Kuykendall afferma che il meccanismo che guida il nuovo processo di crescita non è completamente compreso, ma coinvolge le diverse tendenze dell'oro e del nichel ad allinearsi con varie superfici cristallografiche nel punto in cui i nanofili iniziano a crescere.

I ricercatori hanno anche dimostrato che, a seconda della direzione di crescita scelta, sono state osservate diverse proprietà ottiche grazie alle superfici cristalline esposte sulla superficie del nanofilo. "Una delle cose che rendono interessanti le nanostrutture, è che la superficie gioca un ruolo più importante nella definizione delle proprietà del materiale, " dice Aloni. Questo porta a cambiamenti nelle proprietà ottiche non visti in materiali di grandi dimensioni, rendendoli più utili.

Aloni afferma che il team si concentrerà successivamente maggiormente sulla chimica delle diverse superfici dei nanocavi per adattare ulteriormente le proprietà ottiche del nanofilo.