I ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per far crescere cristalli "ibridi" su scala nanometrica, in cui punti quantici - essenzialmente semiconduttori su scala nanometrica - di materiali diversi possono essere incorporati in sequenza in un nanofilo ospite con giunzioni perfette tra i componenti.

Un nuovo approccio per autoassemblare e personalizzare strutture complesse su scala nanometrica, sviluppato da una collaborazione internazionale guidata dall'Università di Cambridge e IBM, apre opportunità per personalizzare le proprietà e le funzionalità dei materiali per un'ampia gamma di applicazioni di dispositivi a semiconduttore.

I ricercatori hanno sviluppato un metodo per far crescere combinazioni di materiali diversi in un cristallo a forma di ago chiamato nanofilo. I nanofili sono piccole strutture, solo pochi miliardesimi di metro di diametro. I semiconduttori possono essere trasformati in nanofili, e il risultato è un utile elemento costitutivo per impianti elettrici, ottico, e dispositivi per la raccolta di energia. I ricercatori hanno scoperto come far crescere cristalli più piccoli all'interno del nanofilo, formando una struttura come una bacchetta di cristallo con una serie di gemme incastonate. I dettagli del nuovo metodo sono pubblicati sulla rivista Materiali della natura .

"La chiave per costruire dispositivi funzionali su nanoscala è controllare i materiali e le loro interfacce a livello atomico, " ha affermato il dottor Stephan Hofmann del Dipartimento di Ingegneria, uno degli autori senior del documento. "Abbiamo sviluppato un metodo di ingegneria delle inclusioni di diversi materiali in modo da poter realizzare strutture complesse in modo molto preciso".

I nanofili vengono spesso coltivati ​​attraverso un processo chiamato sintesi Vapour-Liquid-Solid (VLS), dove una minuscola gocciolina catalitica viene utilizzata per seminare e alimentare il nanofilo, in modo che si autoassembla uno strato atomico alla volta. VLS consente un alto grado di controllo sul nanofilo risultante:composizione, diametro, direzione di crescita, ramificazione, l'attorcigliamento e la struttura cristallina possono essere controllati regolando le condizioni di autoassemblaggio. Man mano che i nanofili vengono controllati meglio, diventano possibili nuove applicazioni.

La tecnica sviluppata da Hofmann e dai suoi colleghi di Cambridge e IBM può essere pensata come un'espansione del concetto alla base della crescita VLS convenzionale. I ricercatori usano la gocciolina catalitica non solo per far crescere il nanofilo, ma anche per formare nuovi materiali al suo interno. Questi minuscoli cristalli si formano nel liquido, ma in seguito si attaccano al nanofilo e poi si incorporano man mano che il nanocavo cresce ulteriormente. Questo processo di aggancio mediato dal catalizzatore può "auto-ottimizzare" per creare interfacce altamente perfette per i cristalli incorporati.

Per svelare la complessità di questo processo, il team di ricerca ha utilizzato due microscopi elettronici personalizzati, uno al TJ Watson Research Center di IBM e un secondo al Brookhaven National Laboratory. Ciò ha permesso loro di registrare filmati ad alta velocità della crescita dei nanofili mentre accade atomo per atomo. I ricercatori hanno scoperto che l'uso del catalizzatore come una "ciotola per mescolare", con l'ordine e la quantità di ogni ingrediente programmato in una ricetta desiderata, ha portato a strutture complesse costituite da nanofili con cristalli in nanoscala incorporati, o punti quantici, di dimensioni e posizione controllate.

"La tecnica consente di incorporare due materiali diversi nello stesso nanofilo, anche se le strutture reticolari dei due cristalli non combaciano perfettamente, " ha affermato Hofmann. "È una piattaforma flessibile che può essere utilizzata per diverse tecnologie".

Le possibili applicazioni per questa tecnica vanno da interconnessioni interrate atomicamente perfette a transistor a singolo elettrone, ricordi ad alta densità, emissione di luce, laser a semiconduttore, e diodi tunnel, insieme alla capacità di progettare strutture di dispositivi tridimensionali.

"Questo processo ci ha permesso di comprendere il comportamento dei materiali su scala nanometrica con dettagli senza precedenti, e che la conoscenza può ora essere applicata ad altri processi, ", ha detto Hofmann.