In un nuovo studio, ricercatori del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Argonne e Brookhaven National Laboratories hanno osservato la formazione di due tipi di difetti nei singoli nanofili, che sono più piccoli di diametro di un capello umano.

Questi nanofili, in arseniuro di indio gallio, potrebbe essere utile per una vasta gamma di applicazioni in un campo che gli scienziati hanno chiamato optoelettronica, che comprende dispositivi che funzionano convertendo l'energia luminosa in impulsi elettrici. I relè in fibra ottica sono un buon esempio.

"Dobbiamo solo avvicinarci abbastanza per colpire da qualche parte il bersaglio; non dobbiamo dividere la proverbiale freccia". — Stephan Hruskewycz, Scienziato dei materiali Argonne

L'efficacia di questi dispositivi, però, possono essere affetti da minuscoli difetti nei loro componenti. Questi difetti, che possono modificare sia le proprietà ottiche che elettroniche di questi materiali, interessano gli scienziati che cercano di adattarli per aumentare la funzionalità della futura optoelettronica, compresi i materiali che saranno in grado di manipolare le informazioni quantistiche.

Nello studio, Il gruppo, che ha coinvolto anche collaboratori della Northwestern University e di due università europee, osservato due tipi di difetti in un singolo nanofilo. Il primo tipo di difetto, causato dallo sforzo, interessa l'intero nanofilo, impedendogli di crescere perfettamente dritto. Il secondo tipo di difetto, chiamato un errore di impilamento, avviene vicino al livello atomico, poiché i singoli piani di atomi sono disposti per allungare il nanofilo.

"Per visualizzare la differenza tra i difetti di accatastamento e la deformazione, puoi pensare di mischiare un mazzo di carte, " ha detto lo scienziato dei materiali di Argonne Stephan Hruszkewycz, un autore dello studio. "Un errore di impilamento si verifica quando una carta dal mazzo viene mischiata in modo imperfetto, come se due carte provenissero dalla mano destra prima che una possa venire dalla sinistra".

Sforzo, Hruszkewycz ha spiegato, "sembra come se una torre di mazzi di carte fosse inclinata in una certa direzione invece di stare perfettamente dritta."

Poiché gli errori di impilamento e le deformazioni si verificano a scale così diverse, capire come interagiscono per modificare le caratteristiche di un nanofilo richiede agli scienziati di utilizzare una sofisticata tecnologia di imaging e algoritmi matematici complessi.

Utilizzando una tecnica chiamata tticografia di Bragg per osservare i difetti, i ricercatori di Argonne hanno creato un metodo che potevano usare per vedere il nanofilo all'interno del suo ambiente operativo.

"Abbiamo sviluppato una tecnica che ci permette di indagare l'effettiva struttura locale nel materiale, " Ha detto Hruszkewycz. "Questo ci permetterà di fare preziosi confronti con le teorie che le persone hanno escogitato che descrivono come questi difetti potrebbero influenzare non solo il nanofilo, ma l'intero dispositivo di cui fa parte."

"Il metodo fornisce un collegamento mancante tra la struttura dei difetti su scala nanometrica e le variazioni di deformazione su scale di lunghezza maggiore che ci consentiranno di controllare meglio le proprietà optoelettroniche dei nanofili, ", ha affermato il professore di scienza dei materiali della Northwestern University Lincoln Lauhon.

Nella tticografia di Bragg, i ricercatori fanno brillare un raggio di raggi X in una serie di punti sovrapposti su tutto il materiale, come un macchinista che muove lentamente un riflettore su un palcoscenico. Le informazioni prodotte dalla dispersione dei raggi X da parte degli atomi offrono ai ricercatori una visione tridimensionale del materiale a una risoluzione prossima a quella atomica. I ricercatori hanno utilizzato la tecnica presso la Hard X-ray Nanoprobe di Brookhaven presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

"Beamline 3-ID è in grado di produrre un raggio nanofocalizzato coerente, quindi è adatto per ricostruire immagini attraverso tecniche come la tticografia di Bragg, ", ha affermato Yong Chu, scienziato capo della linea di luce di Brookhaven, un autore dello studio. "Questa collaborazione è stata estremamente preziosa per far progredire le capacità di tticografia di Bragg a NSLS-II, così come la nostra comprensione dei nanofili".

Gli scienziati hanno recentemente migliorato gli algoritmi che generano questa immagine, un miglioramento che ha cambiato radicalmente il processo di raccolta delle informazioni sui raggi X. Invece di dover utilizzare un approccio basato su griglia punto per punto come fatto nei precedenti studi tticografici, Hruszkewycz e i suoi collaboratori potevano muovere il raggio di raggi X più liberamente, raccogliere informazioni utili da tutto il loro campione. "È come se invece di fare una line dance molto semplice e ripetitiva, tutto ciò che dobbiamo fare è assicurarci di mettere i piedi su ogni parte della pista da ballo in un punto o nell'altro, " Egli ha detto.

Questa flessibilità ha un altro vantaggio:consente ai ricercatori di illuminare elementi più piccoli utilizzando uno spot di dimensioni inferiori, in gran parte consentito dalle lastre a zone a raggi X fabbricate da Michael Wojcik, un fisico all'Advanced Photon Source di Argonne. Queste piastre di zona sono un'ottica diffrattiva costituita da diversi anelli radialmente simmetrici, chiamate zone, che si alternano tra opaco e trasparente. Sono distanziati in modo che la luce trasmessa dalle zone trasparenti interferisca costruttivamente al fuoco desiderato.

"Quando cerchiamo di centrare il nostro obiettivo, non dobbiamo essere Robin Hood, " Ha detto Hruszkewycz. "Dobbiamo solo avvicinarci abbastanza per colpire da qualche parte sul bersaglio; non dobbiamo dividere la proverbiale freccia".

Un articolo basato sullo studio, "Misurazione della deformazione tridimensionale e dei difetti strutturali in un singolo nanofilo InGaAs utilizzando la pticografia di proiezione di Bragg multiangolo a raggi X coerente, " apparso nell'edizione online del 18 gennaio di Nano lettere .