Los investigadores han desarrollado un nuevo método para cultivar cristales 'híbridos' a nanoescala, en el que se pueden incorporar secuencialmente puntos cuánticos, esencialmente semiconductores a nanoescala, de diferentes materiales en un nanoalambre anfitrión con uniones perfectas entre los componentes.

Un nuevo enfoque para autoensamblar y adaptar estructuras complejas a nanoescala, desarrollado por una colaboración internacional liderada por la Universidad de Cambridge e IBM, abre oportunidades para adaptar las propiedades y funcionalidades de los materiales para una amplia gama de aplicaciones de dispositivos semiconductores.

Los investigadores han desarrollado un método para cultivar combinaciones de diferentes materiales en un cristal en forma de aguja llamado nanoalambre. Los nanocables son estructuras pequeñas, sólo unas mil millonésimas de metro de diámetro. Los semiconductores se pueden convertir en nanocables, y el resultado es un bloque de construcción útil para la electricidad, óptico, y dispositivos de recolección de energía. Los investigadores han descubierto cómo hacer crecer cristales más pequeños dentro del nanoalambre, formando una estructura como una varilla de cristal con una serie de gemas incrustadas. Los detalles del nuevo método se publican en la revista. Materiales de la naturaleza .

"La clave para construir dispositivos funcionales a nanoescala es controlar los materiales y sus interfaces a nivel atómico, "dijo el Dr. Stephan Hofmann del Departamento de Ingeniería, uno de los autores principales del artículo. "Hemos desarrollado un método de ingeniería de inclusiones de diferentes materiales para que podamos hacer estructuras complejas de una manera muy precisa".

Los nanocables a menudo se cultivan a través de un proceso llamado síntesis de vapor-líquido-sólido (VLS), donde se usa una pequeña gota catalítica para sembrar y alimentar el nanoalambre, de modo que se autoensambla una capa atómica a la vez. VLS permite un alto grado de control sobre el nanoalambre resultante:composición, diámetro, dirección de crecimiento, derivación, Las torceduras y la estructura cristalina se pueden controlar ajustando las condiciones de autoensamblaje. A medida que los nanocables se controlan mejor, se hacen posibles nuevas aplicaciones.

La técnica que desarrollaron Hofmann y sus colegas de Cambridge e IBM se puede considerar como una expansión del concepto que subyace al crecimiento de VLS convencional. Los investigadores utilizan la gota catalítica no solo para hacer crecer el nanoalambre, sino también para formar nuevos materiales dentro de él. Estos diminutos cristales se forman en el líquido, pero luego se unen al nanoalambre y luego se incrustan a medida que el nanocable crece más. Este proceso de acoplamiento mediado por catalizadores puede 'autooptimizarse' para crear interfaces muy perfectas para los cristales incrustados.

Para desentrañar las complejidades de este proceso, el equipo de investigación utilizó dos microscopios electrónicos personalizados, uno en el Centro de Investigación TJ Watson de IBM y un segundo en el Laboratorio Nacional Brookhaven. Esto les permitió grabar películas de alta velocidad del crecimiento de los nanocables a medida que ocurre átomo por átomo. Los investigadores encontraron que usar el catalizador como un 'tazón para mezclar', con el orden y la cantidad de cada ingrediente programado en una receta deseada, resultó en estructuras complejas que consisten en nanocables con cristales a nanoescala incrustados, o puntos cuánticos, de tamaño y posición controlados.

"La técnica permite incorporar dos materiales diferentes en el mismo nanoalambre, incluso si las estructuras de celosía de los dos cristales no coinciden perfectamente, ", dijo Hofmann." Es una plataforma flexible que se puede utilizar para diferentes tecnologías ".

Las posibles aplicaciones de esta técnica van desde interconexiones enterradas atómicamente perfectas hasta transistores de un solo electrón, memorias de alta densidad, emisión de luz, láseres semiconductores, y diodos de túnel, junto con la capacidad de diseñar estructuras de dispositivos tridimensionales.

"Este proceso nos ha permitido comprender el comportamiento de los materiales a nanoescala con un detalle sin precedentes, y ese conocimiento ahora se puede aplicar a otros procesos, "dijo Hofmann.