Molti dispositivi a semiconduttore nella tecnologia moderna, dai circuiti integrati alle celle solari e ai LED, sono basati su nanostrutture. La produzione di array di nanostrutture regolari di solito richiede uno sforzo notevole. Se fossero auto-organizzati, la produzione di tali dispositivi sarebbe notevolmente più rapida e quindi i costi diminuirebbero. Dr. Stefan Facsko dell'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e Dr. Xin Ou dello Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology (SIMIT), Accademia cinese delle scienze, hanno ora dimostrato un metodo per l'auto-organizzazione di array nanostrutturati tramite un'ampia irradiazione con fascio di ioni. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nanoscala .

Nel loro metodo sorprendente, i ricercatori usano fasci di ioni, che sono veloci, atomi caricati elettricamente. Dirigono un ampio raggio di ioni di gas nobile su un wafer di arseniuro di gallio, quale, Per esempio, viene utilizzato nella produzione di transistor ad alta velocità e alta frequenza, fotocellule o diodi luminosi. "Si potrebbe confrontare il bombardamento di ioni con la sabbiatura. Ciò significa che gli ioni si staccano dalla superficie del bersaglio. Lì, le nanostrutture desiderate si creano da sole, " spiega il Dr. Facsko. La struttura finemente cesellata e regolare ricorda le dune di sabbia, strutture naturali create dal vento. Tutto si verifica, però, in un nano-regno, con una distanza di soli cinquanta nanometri tra due dune, le ciocche di capelli umani sono duemila volte più spesse.

Bombardamento ionico a temperatura elevata

A temperatura ambiente, però, il fascio di ioni distrugge la struttura cristallina dell'arseniuro di gallio e quindi le sue proprietà semiconduttive. Il gruppo del Dr. Facsko presso lo Ion Beam Center dell'HZDR sfrutta quindi l'opportunità di riscaldare il campione durante il bombardamento ionico. A circa quattrocento gradi Celsius, le strutture distrutte si riprendono rapidamente.

Un ulteriore effetto assicura lo sviluppo delle nanodune sulla superficie del semiconduttore. Gli ioni in collisione non solo spostano gli atomi che colpiscono, ma anche eliminare completamente singoli atomi dalla struttura cristallina. Poiché l'arsenico volatile non rimane legato sulla superficie, la superficie presto consiste solo di atomi di gallio. Per compensare i legami atomici di arsenico mancanti, si formano coppie di due atomi di gallio, che si dispongono in lunghe file. Se il fascio di ioni fa cadere altri atomi accanto a loro, le coppie di gallio non possono scivolare giù dal gradino che si è creato perché le temperature sono troppo basse perché ciò accada. È così che le lunghe file di coppie di gallio formano nano-dune dopo un periodo di tempo, in cui diverse lunghe coppie di linee si trovano l'una accanto all'altra.

Sono stati necessari molti esperimenti a diverse temperature e calcoli completi sia per preservare lo stato cristallino del materiale semiconduttore sia per produrre le strutture ben definite su scala nanometrica. Il dottor Facsko dell'HZDR dice, "Il metodo dell'epitassia inversa funziona per vari materiali ma è ancora nella sua fase di ricerca di base. Poiché utilizziamo ioni di energia particolarmente bassa - sotto 1 kilovolt -, che può essere generato utilizzando metodi semplici, speriamo di poter indicare la strada per l'implementazione industriale. La produzione di strutture simili con gli attuali metodi all'avanguardia richiede uno sforzo considerevolmente maggiore."