En la fuente de rayos X de DESY, PETRA III, Los científicos han seguido en vivo el crecimiento de diminutos alambres de arseniuro de galio. Sus observaciones revelan detalles exactos del proceso de crecimiento responsable de la forma en evolución y la estructura cristalina de los nanocables cristalinos. Los hallazgos también proporcionan nuevos enfoques para adaptar nanocables con las propiedades deseadas para aplicaciones específicas. Los científicos, dirigido por Philipp Schroth de la Universidad de Siegen y el Instituto de Tecnología de Karlsruhe (KIT), publicó sus hallazgos en la revista Nano letras . El semiconductor arseniuro de galio (GaAs) se usa ampliamente en controles remotos infrarrojos, los componentes de alta frecuencia de los teléfonos móviles y para convertir señales eléctricas en luz para la transmisión de fibra óptica, así como en paneles solares para su despliegue en naves espaciales.

Para fabricar los cables, los científicos emplearon un procedimiento conocido como método de vapor-líquido-sólido autocatalizado (VLS), en el que pequeñas gotas de galio líquido se depositan primero sobre un cristal de silicio a una temperatura de alrededor de 600 grados Celsius. Los haces de átomos de galio y moléculas de arsénico se dirigen luego a la oblea, donde se adsorben y se disuelven en las gotitas de galio. Después de algún tiempo, los nanocables cristalinos comienzan a formarse debajo de las gotas, por lo que las gotitas se empujan gradualmente hacia arriba. En este proceso, las gotitas de galio actúan como catalizadores del crecimiento longitudinal de los alambres. "Aunque este proceso ya está bastante bien establecido, Hasta ahora no ha sido posible controlar específicamente la estructura cristalina de los nanocables producidos por él. Lograr esto, primero debemos comprender los detalles de cómo crecen los cables, "dice el coautor Ludwig Feigl de KIT.

Para observar el crecimiento a medida que se lleva a cabo, El grupo de Schroth instaló una cámara experimental móvil, especialmente desarrollado por KIT para experimentos de rayos X en la fuente de radiación de sincrotrón de DESY PETRA III en la estación experimental P09. A intervalos de un minuto, los científicos tomaron imágenes de rayos X, que reveló tanto la estructura interna como el diámetro de los nanocables en crecimiento. Además, midieron los nanocables completamente desarrollados 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 UHV en KIT fue un requisito previo, "dice el coautor Seyed Mohammad Mostafavi Kashani de la Universidad de Siegen.

Durante un período de aproximadamente cuatro horas, los cables crecieron hasta una longitud de unos 4000 nanómetros. Un nanómetro (nm) es una millonésima de milímetro. Sin embargo, no solo los cables se alargaron durante este tiempo, pero también más grueso:su diámetro aumentó de 20 nm iniciales hasta 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 con 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 con el microscopio electrónico fue mayor en la región inferior del alambre que el observado con 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 que los cables ganen ancho, "dice Schroth. Independientemente del crecimiento de VLS, el material depositado en forma de vapor también se adhiere directamente a las paredes laterales, particularmente en la región inferior del nanoalambre. Esta contribución adicional se puede determinar comparando las mediciones de rayos X tomadas al principio durante el crecimiento del alambre, con la medición con microscopio electrónico una vez finalizado el crecimiento.

Es más, las gotas de galio se hacen cada vez más grandes a medida que se agrega más galio en el curso del proceso de crecimiento. Usando modelos de crecimiento, los científicos pudieron deducir la forma de las gotas, que también se había visto afectado 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. Bajo ciertas circunstancias, el alambre luego de repente continúa creciendo con una estructura cristalina diferente, "dice Feigl. Mientras que los nanocables finos cristalizan inicialmente en forma hexagonal, la llamada estructura de wurtzita, este comportamiento cambia después de un tiempo y los alambres adoptan una estructura de mezcla de zinc cúbico a medida que continúan creciendo. Este cambio es importante cuando se trata de aplicaciones, ya que la estructura y forma de los nanocables tienen importantes consecuencias para las propiedades del material resultante.

Estos hallazgos detallados no solo conducen a una mejor comprensión del proceso de crecimiento; también proporcionan enfoques para personalizar los futuros nanocables para que tengan propiedades especiales para aplicaciones específicas, por ejemplo, para mejorar la eficiencia de una celda solar o un láser.