I nanofili promettono di rendere i LED più colorati e le celle solari più efficienti, oltre a velocizzare i computer. Questo è, a condizione che i minuscoli semiconduttori convertano l'energia elettrica in luce, e viceversa, alle giuste lunghezze d'onda. Un team di ricerca presso l'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) tedesco è riuscito a produrre nanofili con lunghezze d'onda operative che possono essere selezionate liberamente su un'ampia gamma, semplicemente alterando la struttura del guscio. I nanofili ottimizzati potrebbero assumere diversi ruoli in un componente optoelettronico. Ciò renderebbe i componenti più potenti, più conveniente, e più facile da integrare, come riporta il team in Comunicazioni sulla natura .

I nanofili sono estremamente versatili. I minuscoli elementi possono essere utilizzati per componenti fotonici ed elettronici miniaturizzati in nanotecnologia. Le applicazioni includono circuiti ottici su chip, nuovi sensori, LED, celle solari e tecnologie quantistiche innovative. Sono i nanofili indipendenti che garantiscono la compatibilità delle più recenti tecnologie dei semiconduttori con le tecnologie convenzionali a base di silicio. Poiché il contatto con il substrato di silicio è minuscolo, superano le tipiche difficoltà nell'accostare materiali diversi.

Per il loro studio, che durò diversi anni, i ricercatori di Dresda hanno iniziato a coltivare nanofili dal materiale semiconduttore arseniuro di gallio su substrati di silicio. Il passo successivo consisteva nel racchiudere i fili sottilissimi in un altro strato di materiale a cui aggiungevano indio come elemento aggiuntivo. Il loro obiettivo:la struttura cristallina non corrispondente dei materiali aveva lo scopo di indurre una sollecitazione meccanica nel nucleo del filo, che modifica le proprietà elettroniche dell'arseniuro di gallio. Ad esempio, il bandgap del semiconduttore diventa più piccolo e gli elettroni diventano più mobili. Per amplificare questo effetto, gli scienziati continuavano ad aggiungere più indio al guscio, o aumentato lo spessore del guscio. Il risultato è andato ben oltre le aspettative.

Portare un effetto noto agli estremi

"Quello che abbiamo fatto è stato portare un effetto noto agli estremi, " ha spiegato Emmanouil Dimakis, capofila dello studio che ha coinvolto ricercatori dell'HZDR, TU Dresda e DESY ad Amburgo. "Il 7% di sforzo raggiunto è stato eccezionale".

A questo livello di tensione, Dimakis si aspettava di vedere dei disturbi nei semiconduttori:nella loro esperienza, l'anima del filo si piega o si verificano difetti. I ricercatori ritengono che le condizioni sperimentali speciali siano state la ragione dell'assenza di tali disturbi:in primo luogo, sono cresciuti fili di arseniuro di gallio estremamente sottili, circa cinquemila volte più sottili di un capello umano. Secondo, il team è riuscito a produrre il guscio del filo a temperature insolitamente basse. La diffusione superficiale degli atomi è quindi più o meno congelata, costringendo il guscio a crescere uniformemente attorno al nucleo. Il team di ricercatori ha rafforzato la loro scoperta conducendo diverse serie indipendenti di misurazioni presso le strutture di Dresda, così come alle sorgenti luminose a raggi X ad alta brillantezza PETRA III ad Amburgo e Diamond in Inghilterra.

Gli straordinari risultati hanno portato i ricercatori a intraprendere ulteriori indagini:"Abbiamo spostato la nostra attenzione sulla questione di cosa scatena la tensione estremamente elevata nel nucleo del nanofilo, e come questo può essere utilizzato per determinate applicazioni, " Dimakis ha ricordato. "Gli scienziati sono a conoscenza dell'arseniuro di gallio come materiale da anni, ma i nanofili sono speciali. Un materiale può esibire proprietà completamente nuove su scala nanometrica".

Potenziali applicazioni per reti in fibra ottica

I ricercatori si sono resi conto che l'elevata deformazione ha permesso loro di spostare la banda proibita del semiconduttore di arseniuro di gallio a energie molto basse, rendendolo compatibile anche per le lunghezze d'onda delle reti in fibra ottica. Una pietra miliare tecnologica. Dopotutto, questa gamma spettrale in precedenza poteva essere raggiunta solo tramite leghe speciali contenenti indio, che ha causato una serie di problemi tecnologici a causa del mix di materiali.

Sono necessari metodi di alta precisione per produrre nanofili. Quattro anni fa, a questo scopo è stato installato presso l'HZDR un sistema speciale:il laboratorio di epitassia a fasci molecolari. La crescita autocatalizzata di nanofili da fasci di atomi o molecole è ottenuta in laboratorio; i fasci sono diretti su substrati di silicio in ultra alto vuoto. Emmanouil Dimakis ha svolto un ruolo importante nella creazione del laboratorio. La maggior parte degli studi riportati nella presente pubblicazione sono stati condotti da Leila Balaghi nell'ambito del suo dottorato.