Un team di ricerca dell'Università di Ehime ha aperto la strada per ottenere nanostrutture di semiconduttori III-V inesplorate. Sono cresciuti nanofili di GaAs ramificati con un elemento Bi non tossico impiegando modifiche strutturali caratteristiche correlate con goccioline metalliche, così come i difetti e gli orientamenti cristallini. La scoperta fornisce un concetto di design razionale per la creazione di nanostrutture di semiconduttori con la concentrazione dei costituenti oltre il limite fondamentale, rendendolo potenzialmente applicabile a nuovi dispositivi efficienti nel vicino infrarosso e all'elettronica quantistica.

Il nanofilo è una struttura ad asta con un diametro tipicamente più stretto di diverse centinaia di nanometri. Per le sue dimensioni e la sua struttura, presenta proprietà caratteristiche che non si trovano in materiali sfusi più grandi. Lo studio dei nanofili semiconduttori III-V ha suscitato molto interesse negli ultimi decenni a causa della loro potenziale applicazione in nanoscala quantistica, fotonico, elettronico, e conversione energetica, e nei dispositivi biologici, in base alla loro natura unidimensionale e all'ampio rapporto superficie/volume. L'introduzione di un'eterostruttura epitassiale facilita il controllo del trasporto e delle proprietà elettroniche di tali dispositivi, mostrando il potenziale per realizzare sistemi integrati basati su composti III-V e Si con funzioni elettroniche e ottiche superiori.

I semiconduttori composti III-V sono tra i più elevati in termini di mobilità ed efficienza di conversione fotone-elettrone esistenti. Tra loro, GaAs è un semiconduttore composto rappresentativo III-V, che viene utilizzato per i transistor ad alta velocità, così come diodi emettitori di luce nel vicino infrarosso ad alta efficienza, laser, e celle solari. I dispositivi ottici basati su GaAs III-V soffrono di perdite intrinseche legate alla generazione di calore. Per aggirare questo, l'uso della lega Bismide diluita GaAsBi con un elemento Bi non tossico ha recentemente attirato l'attenzione perché l'introduzione di Bi sopprime la generazione di calore aumentando l'efficienza di conversione elettrone-luce. Perciò, incorporare la lega di bismide GaAsBi diluita nei nanofili è un approccio razionale per lo sviluppo di nanodispositivi optoelettronici ad alte prestazioni. Nel frattempo, i nanofili ramificati o ad albero offrono un approccio per aumentare la complessità strutturale e migliorare le funzioni risultanti che a loro volta consentono la realizzazione di strutture di dimensionalità più elevate, connettività laterale, e interconnessione tra i nanofili.

Utilizzando una tecnica di crescita dei cristalli atomicamente precisa chiamata epitassia a fascio molecolare, il gruppo dell'Università di Ehime ha controllato la formazione di nanostrutture indotte da Bi nella crescita di nanofili ramificati GaAs/GaAsBi core-shell. Così, hanno aperto la strada per ottenere nanostrutture di semiconduttori III-V inesplorate che impiegano la caratteristica sovrasaturazione delle goccioline di catalizzatore, modificazioni strutturali indotte da deformazioni, e l'incorporazione nella matrice di GaAs dell'ospite correlata con i difetti e gli orientamenti cristallini.

L'articolo scientifico che presenta i loro risultati è stato pubblicato il 17 settembre sulla rivista Nano lettere .

Il gruppo aveva precedentemente ottenuto nanofili di eterostruttura GaAs/GaAsBi su Si con una concentrazione di Bi del 2% inferiore rispetto al rapporto precedente. I nanofili hanno mostrato caratteristiche strutturali specifiche, avere una superficie ruvida con ondulazioni, che sono stati probabilmente indotti dal grande disallineamento del reticolo e dal conseguente accumulo di deformazioni tra la lega di GaAs e GaAsBi. Anche, Bi agisce come un tensioattivo nel controllo dell'energia superficiale, provocando così la sintesi di nanostrutture. Però, l'impatto dell'introduzione del Bi sulla crescita della lega GaAsBi è lungi dall'essere compreso in modo completo. Nella relazione, studiano le caratteristiche e i meccanismi di crescita dei NW multistrato core-shell di GaAs/GaAsBi su substrati di Si (111), concentrandosi sulla deformazione strutturale indotta da Bi. Per sintetizzare nanofili ramificati III-V, convenzionalmente, nanoparticelle di catalizzatore metallico, più comunemente Au, sono impiegati come semi di nucleazione per la crescita dei rami. D'altra parte, il gruppo ha utilizzato goccioline di Ga e Bi auto-catalizzatori che possono sopprimere l'introduzione di impurità di elementi non costituenti. Quando Ga è carente durante la crescita, Il bi si accumula sul vertice dei nanofili di GaAs del nucleo e funge da catalizzatore di crescita dei nanofili per le strutture ramificate a uno specifico azimut cristallino. Esiste una forte correlazione tra l'accumulo di Bi e i difetti di impilamento. Per di più, Bi è preferibilmente incorporato su un orientamento superficiale di GaAs ristretto, portando all'incorporazione spazialmente selettiva di Bi in un'area confinata che ha una concentrazione di Bi del 7% oltre il limite fondamentale. L'eterostruttura GaAs/GaAsBi/GaAs ottenuta con l'interfaccia definita dai difetti gemelli cristallini di uno strato atomico, che può essere potenzialmente applicato a una struttura confinata quantistica.

La scoperta fornisce un concetto di design razionale per la creazione di nanostrutture basate su GaAsBi e il controllo dell'incorporazione di Bi oltre il limite fondamentale. Questi risultati indicano il potenziale per una nuova nanostruttura di semiconduttori per dispositivi nel vicino infrarosso efficienti e per l'elettronica quantistica.