Alla sorgente di raggi X PETRA III di DESY, gli scienziati hanno seguito dal vivo la crescita di minuscoli fili di arseniuro di gallio. Le loro osservazioni rivelano dettagli esatti del processo di crescita responsabile della forma in evoluzione e della struttura cristallina dei nanofili cristallini. I risultati forniscono anche nuovi approcci per adattare i nanofili con le proprietà desiderate per applicazioni specifiche. Gli scienziati, diretto da Philipp Schroth dell'Università di Siegen e del Karlsruhe Institute of Technology (KIT), hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nano lettere . L'arseniuro di gallio semiconduttore (GaAs) è ampiamente utilizzato nei telecomandi a infrarossi, i componenti ad alta frequenza dei telefoni cellulari e per convertire i segnali elettrici in luce per la trasmissione in fibra ottica, così come nei pannelli solari per l'impiego in veicoli spaziali.

Per fabbricare i fili, gli scienziati hanno impiegato una procedura nota come metodo auto-catalizzato vapore-liquido-solido (VLS), in cui minuscole goccioline di gallio liquido vengono prima depositate su un cristallo di silicio a una temperatura di circa 600 gradi Celsius. Fasci di atomi di gallio e molecole di arsenico vengono quindi diretti al wafer, dove vengono adsorbiti e si dissolvono nelle goccioline di gallio. Dopo qualche tempo, i nanofili cristallini iniziano a formarsi sotto le goccioline, per cui le goccioline vengono gradualmente spinte verso l'alto. In questo processo, le goccioline di gallio fungono da catalizzatori per la crescita longitudinale dei fili. "Sebbene questo processo sia già abbastanza consolidato, non è stato possibile fino ad ora controllare in modo specifico la struttura cristallina dei nanofili da esso prodotti. Per realizzare questo, dobbiamo prima capire i dettagli di come crescono i fili, " afferma il coautore Ludwig Feigl di KIT.

Per osservare la crescita mentre avviene, Il gruppo di Schroth ha installato una camera sperimentale mobile, appositamente sviluppato da KIT per esperimenti a raggi X nella sorgente di radiazione di sincrotrone PETRA III di DESY presso la stazione sperimentale P09. A intervalli di un minuto, gli scienziati hanno preso immagini a raggi X, che ha rivelato sia la struttura interna che il diametro dei nanofili in crescita. Inoltre, hanno misurato i nanofili completamente cresciuti utilizzando il microscopio elettronico a scansione presso il DESY NanoLab. "Per garantire il successo di misurazioni così complesse, un lungo periodo di caratterizzazione e ottimizzazione della crescita presso l'UHV Analysis Lab del KIT è stato un prerequisito, ", afferma il coautore Seyed Mohammad Mostafavi Kashani dell'Università di Siegen.

In un periodo di circa quattro ore, i fili sono cresciuti fino a una lunghezza di circa 4000 nanometri. Un nanometro (nm) è un milionesimo di millimetro. Però, non solo i fili si sono allungati durante questo periodo, ma anche più spesso:il loro diametro è aumentato da un iniziale 20 nm fino a 140 nm nella parte superiore del filo, rendendoli circa 500 volte più sottili di un capello umano.

"Una caratteristica piuttosto interessante è che le immagini scattate al microscopio elettronico mostrano che i nanofili hanno una forma leggermente diversa, " afferma il coautore Thomas Keller di DESY NanoLab. Sebbene i fili fossero più spessi nella parte superiore che in quella inferiore, proprio come indicato dai dati radiografici, il diametro misurato al microscopio elettronico era maggiore nella regione inferiore del filo rispetto a quanto osservato ai raggi X.

"Abbiamo scoperto che la crescita dei nanofili non è solo dovuta al meccanismo VLS ma che contribuisce anche un secondo componente, che siamo stati in grado di osservare e quantificare per la prima volta in questo esperimento. Questa crescita aggiuntiva della parete laterale consente ai fili di guadagnare larghezza, " dice Schroth. Indipendentemente dalla crescita di VLS, il materiale depositato dal vapore si attacca anche direttamente alle pareti laterali, in particolare nella regione inferiore del nanofilo. Questo contributo aggiuntivo può essere determinato confrontando le misurazioni a raggi X prese all'inizio durante la crescita del filo, con la misurazione al microscopio elettronico dopo che la crescita è terminata.

Per di più, le goccioline di gallio diventano costantemente più grandi man mano che si aggiunge ulteriore gallio nel corso del processo di crescita. Utilizzando modelli di crescita, gli scienziati sono stati in grado di dedurre la forma delle goccioline, che era stato anche influenzato dall'aumento delle dimensioni delle gocce. L'effetto di ciò è di vasta portata:"Quando la gocciolina cambia di dimensione, cambia anche l'angolo di contatto tra la goccia e la superficie dei fili. In determinate circostanze, il filo poi improvvisamente continua a crescere con una struttura cristallina diversa, " dice Feigl. Considerando che i sottili nanofili inizialmente si cristallizzano in una forma esagonale, cosiddetta struttura wurtzite, questo comportamento cambia dopo un po' di tempo ei fili assumono una struttura cubica di blenda di zinco man mano che continuano a crescere. Questo cambiamento è importante quando si tratta di applicazioni, poiché la struttura e la forma dei nanofili hanno importanti conseguenze per le proprietà del materiale risultante.

Tali risultati dettagliati non solo portano a una migliore comprensione del processo di crescita; forniscono anche approcci per personalizzare i futuri nanofili affinché abbiano proprietà speciali per applicazioni specifiche, ad esempio per migliorare l'efficienza di una cella solare o di un laser.