En la fuente de rayos X de DESY, PETRA III, los científicos han seguido el crecimiento de pequeños cables de arseniuro de galio en vivo. Sus observaciones revelan detalles exactos del proceso de crecimiento responsable de la forma evolutiva y la estructura cristalina de los nanocables cristalinos. Los hallazgos también proporcionannuevos enfoques para adaptar nanocables con propiedades deseadas para aplicaciones específicas. Los científicos, encabezados por Philipp Schroth de la Universidad de Siegen y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe KIT, presentan sus hallazgos en la revista Nano letras . El arseniuro de galio semiconductor GaAs se usa ampliamente, por ejemplo, en controles remotos infrarrojos, los componentes de alta frecuencia de teléfonos móviles y para convertir señales eléctricas en luz para la transmisión de fibra óptica, así como en paneles solares para su despliegue enastronave.
Para fabricar los cables, los científicos emplearon un procedimiento conocido como el método de Vapor-Líquido-Sólido VLS autocatalizado, en el cual las pequeñas gotas de galio líquido se depositan primero en un cristal de silicio a una temperatura de alrededor de 600 grados CelsiusLos haces de átomos de galio y las moléculas de arsénico se dirigen a la oblea, donde se adsorben y se disuelven en las gotas de galio. Después de un tiempo, los nanocables cristalinos comienzan a formarse debajo de las gotas, por lo que las gotas se empujan gradualmente hacia arriba.proceso, las gotas de galio actúan como catalizadores para el crecimiento longitudinal de los cables ". Aunque este proceso ya está bastante bien establecido, hasta ahora no ha sido posible controlar específicamente la estructura cristalina de los nanocables producidos por ella. Para lograr esto,primero tenemos que entender los detalles de cómo crecen los cables ", enfatiza el coautor Ludwig Feigl de KIT.
Para observar el crecimiento a medida que ocurre, el grupo de Schroth instaló una cámara experimental móvil, especialmente desarrollada por KIT para experimentos de rayos X y parcialmente financiada por el Ministerio Federal de Educación e Investigación BMBF, en el brillante haz de rayos Xde la fuente de radiación sincrotrón PETRA III de DESY en la estación experimental P09. A intervalos de un minuto, los científicos tomaron imágenes de rayos X, lo que permitió determinar simultáneamente la estructura interna y el diámetro de los nanocables en crecimiento. Además, midieron completamentenanocables crecidos utilizando el microscopio electrónico de barrido en el DESY NanoLab. "Para garantizar el éxito de mediciones tan complejas, un período extenso de caracterización y optimización del crecimiento en el Laboratorio de Análisis de UHV en KIT era un requisito previo", explica el coautor Seyed Mohammad MostafaviKashani de la Universidad de Siegen.
Durante un período de aproximadamente cuatro horas, los cables crecieron a una longitud de unos 4000 nanómetros. Un nanómetro nm es una millonésima parte de un milímetro. Sin embargo, no solo los cables se alargaron durante este tiempo, sino que también se volvieron más gruesos:su diámetro aumentó de 20 nm iniciales a 140 nm en la parte superior del cable, haciéndolos alrededor de 500 veces más delgados que un cabello humano.
"Una característica bastante interesante es que las imágenes tomadas bajo el microscopio electrónico muestran que los nanocables tienen una forma ligeramente diferente", dice el coautor Thomas Keller de DESY NanoLab. Aunque los cables eran más gruesos en la parte superior que en la inferior,tal como lo indican los datos de rayos X, el diámetro medido bajo el microscopio electrónico fue mayor en la región inferior del cable que lo que se observó usando rayos X.
"Descubrimos que el crecimiento de los nanocables no solo se debe al mecanismo VLS, sino que también contribuye un segundo componente, que pudimos observar y cuantificar por primera vez en este experimento. Este crecimiento adicional de la pared lateral permite quelos cables ganan ancho ", explica Schroth. Independientemente del crecimiento de VLS, el material depositado de vapor también se adhiere directamente a las paredes laterales, particularmente en la región inferior del nanocable. Esta contribución adicional se puede determinar comparando las mediciones de rayos X tomadas tempranodurante el crecimiento del cable, con la medición del microscopio electrónico después de que el crecimiento haya finalizado.
Además, las gotas de galio se hacen cada vez más grandes a medida que se agrega más galio en el curso del proceso de crecimiento. Mediante modelos de crecimiento, los científicos pudieron deducir la forma de las gotas, que también se habían visto afectadas por el aumento del tamaño de las gotas.El efecto de esto es de gran alcance: "A medida que la gota cambia de tamaño, el ángulo de contacto entre la gota y la superficie de los cables también cambia. En ciertas circunstancias, el cable de repente continúa creciendo con una estructura cristalina diferente,"dice Feigl. Mientras que los nanocables finos se cristalizan inicialmente en una estructura hexagonal, llamada wurtzita, este comportamiento cambia después de un tiempo y los cables adoptan una estructura blende de zinc cúbico a medida que continúan creciendo. Este cambio es importante cuando se trata de aplicaciones, ya que la estructura y la forma de los nanocables tienen consecuencias importantes para las propiedades del material resultante.
Dichos hallazgos detallados no solo conducen a una mejor comprensión del proceso de crecimiento; también proporcionan enfoques para personalizar futuros nanocables para que tengan propiedades especiales para aplicaciones específicas, por ejemplo, para mejorar la eficiencia de una célula solar o un láser.
Esta investigación también forma parte de la colaboración estratégica entre los dos Centros Helmholtz KIT y DESY en el marco del programa Helmholtz "De la materia a los materiales y la vida" MML.
DESY es uno de los principales centros de aceleración de partículas del mundo. Los investigadores utilizan las instalaciones a gran escala en DESY para explorar el microcosmos en toda su variedad, desde la interacción de pequeñas partículas elementales hasta el comportamiento de nanomateriales innovadores y los procesos vitalesque tienen lugar entre las biomoléculas y los grandes misterios del universo. Los aceleradores y detectores que DESY desarrolla y construye en sus ubicaciones en Hamburgo y Zeuthen son herramientas de investigación únicas. DESY es miembro de la Asociación Helmholtz y recibe fondos de Alemania.Ministerio Federal de Educación e Investigación BMBF 90 por ciento y los estados federales alemanes de Hamburgo y Brandeburgo 10 por ciento.
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Materiales proporcionado por DISEÑO Deutsches Elektronen-Synchrotron . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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