(PhysOrg.com) - Los nanocables semiconductores son materiales esenciales en el desarrollo de células solares más económicas y eficientes. así como baterías con mayor capacidad de almacenamiento. Es más, son bloques de construcción importantes en nanoelectrónica. Sin embargo, la fabricación de nanocables semiconductores a escala industrial es muy cara. La principal razón de esto son las altas temperaturas a las que se producen (600-900 C), así como el uso de catalizadores costosos, como el oro. Científicos del Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes en Stuttgart, anteriormente el Instituto Max Planck de Investigación de Metales, ahora han podido producir nanocables semiconductores cristalinos a una temperatura mucho más baja (150 C) mientras se utilizan catalizadores económicos, como el aluminio. De este modo, Los semiconductores nanoestructurados pueden incluso depositarse directamente sobre sustratos de plástico sensibles al calor.

Los nanocables hechos de semiconductores como el silicio (Si) o el germanio (Ge) serán indispensables para muchas aplicaciones técnicas en el futuro. Hasta ahora, se han fabricado mediante un proceso que se describió por primera vez en 1964. El mecanismo denominado vapor-líquido-sólido (VLS) utiliza pequeñas partículas de catalizadores metálicos como semillas para el crecimiento de los nanocables. Las semillas de metal se depositan sobre un sustrato sólido, fundido y expuesto a una atmósfera de gas que contiene silicio o germanio. Las gotitas de metal luego tomarán átomos semiconductores del gas hasta que estén sobresaturados, y el exceso de material semiconductor se precipita en el límite con el sustrato:crece un nanoalambre. En la mayoría de los casos, el oro se utiliza como catalizador, ya que puede disolver mucho silicio o germanio cuando se funde. El uso de este costoso catalizador y la alta temperatura de procesamiento de plomo de 600 a 900 ºCelsius, sin embargo, a los altos costos de producción.

Los científicos de materiales del departamento de Eric Mittemeijer en el Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes han descubierto ahora un método para producir nanocables semiconductores a una temperatura sorprendentemente más baja de solo 150 ° C. mientras se utilizan catalizadores baratos como el aluminio. Junto con colegas del Centro de Microscopía Electrónica de Stuttgart, un centro de investigación en el mismo Instituto, los científicos han logrado observar el crecimiento de nanocables a escala atómica en tiempo real.

Para tal fin, los científicos prepararon una bicapa de aluminio cristalino y silicio amorfo. La capa se produjo al vacío y a temperatura ambiente mediante evaporación térmica. Mientras que los átomos están desordenados en la fase de silicio amorfo, están dispuestos en una rejilla cristalina ordenada en la capa de aluminio. De hecho, la capa de Al está constituida por miles de millones de diminutos cristales de aluminio, cada uno de ellos de un tamaño tan pequeño como unos 50 nanómetros. Los granos de cristal están en estrecho contacto entre sí. Sus límites forman así una red de límites de grano bidimensional dentro de la capa de aluminio.

Utilizando microscopía electrónica de transmisión analítica, los científicos pudieron observar directamente que los átomos de silicio comienzan a fluir desde la capa de silicio hacia el catalizador de aluminio a una temperatura tan baja como 120 ° Celsius. A temperaturas tan bajas, el catalizador de aluminio es sólido y no puede disolver ningún átomo de silicio. Las investigaciones microscópicas revelan que, en cambio, los átomos de silicio se alojan en los límites entre los cristales de aluminio. A medida que se acumulan más y más átomos de silicio en los límites de los granos de aluminio, se reestructuran en diminutos nanocables cristalinos, ya que esto reduce la energía total del sistema. Esto produce una red de nanocables cristalinos, cuyo patrón está determinado con precisión por la red de límites de grano de aluminio. De este modo, se pueden producir alambres de hasta 15 nanómetros.

Claramente, el mecanismo de crecimiento de los nanocables descubierto por los científicos de materiales en Stuttgart es fundamentalmente diferente del mecanismo de crecimiento convencional de VLS. Lo más sorprendente es el nuevo método de crecimiento no requiere la solubilidad de los semiconductores en el catalizador metálico y, por lo tanto, puede realizarse a bajas temperaturas (150 ° Celsius), mientras se utilizan catalizadores baratos como el aluminio.

Los principales beneficios del nuevo método son, por lo tanto, que no requiere altas temperaturas del sustrato ni costosos catalizadores. Además, Los científicos de materiales pueden adaptar el tamaño de los granos de aluminio y, por lo tanto, la forma de la red de límites de granos de aluminio. para producir el patrón deseado de nanocables de silicio. El catalizador de Al se puede eliminar fácilmente mediante grabado selectivo. Dado que las películas de aluminio se han utilizado en microelectrónica durante décadas, su producción y procesamiento están ampliamente establecidos. También pueden ser adecuados para el método otros catalizadores. Otra ventaja es que los dispositivos de silicio nanoestructurados se pueden cultivar directamente en la mayoría de sustratos de plástico. incluso si son sensibles al calor.