Un equipo de investigación de la Universidad de Ehime allanó el camino para lograr nanoestructuras de semiconductores III-V inexploradas. Crecieron nanocables de GaAs ramificados con un elemento Bi no tóxico empleando modificaciones estructurales características correlacionadas con gotas metálicas, así como orientaciones y defectos cristalinos. El hallazgo proporciona un concepto de diseño racional para la creación de nanoestructuras semiconductoras con la concentración de constituyentes más allá del límite fundamental. haciéndolo potencialmente aplicable a nuevos dispositivos eficientes de infrarrojo cercano y electrónica cuántica.

El nanoalambre es una estructura de varilla con un diámetro típicamente más estrecho que varios cientos de nanómetros. Por su tamaño y estructura, presenta propiedades características que no se encuentran en materiales a granel más grandes. El estudio de los nanocables semiconductores III-V ha despertado mucho interés en las últimas décadas debido a su potencial aplicación en nanoescala cuántica, fotónico electrónico, y conversión de energía, y en dispositivos biológicos, basado en su naturaleza unidimensional y gran relación superficie / volumen. La introducción de una heteroestructura epitaxial facilita el control del transporte y las propiedades electrónicas de dichos dispositivos, mostrando el potencial para realizar sistemas integrados basados ​​en compuestos III-V y Si con funciones ópticas y electrónicas superiores.

Los semiconductores compuestos III-V son uno de los más altos en movilidad y eficiencia de conversión de fotones a electrones que existen. Entre ellos, GaAs es un semiconductor compuesto representativo III-V, que se utiliza para transistores de alta velocidad, así como diodos emisores de luz infrarroja cercana de alta eficiencia, láseres y celdas solares. Los dispositivos ópticos basados ​​en III-V GaAs sufren pérdidas intrínsecas relacionadas con la generación de calor. Para eludir esto, El uso de aleación de bismido diluido GaAsBi con un elemento Bi no tóxico ha ganado atención recientemente porque la introducción de Bi suprime la generación de calor al tiempo que aumenta la eficiencia de conversión de luz de electrones. Por lo tanto, La incorporación de una aleación diluida de bismido GaAsBi en nanocables es un enfoque racional para desarrollar nanodispositivos optoelectrónicos de alto rendimiento. Mientras tanto, Los nanocables ramificados o en forma de árbol ofrecen un enfoque para aumentar la complejidad estructural y mejorar las funciones resultantes que, a su vez, permiten la realización de estructuras de mayor dimensionalidad. conectividad lateral, e interconexión entre los nanocables.

Usando una técnica de crecimiento de cristales atómicamente precisa llamada epitaxia de haz molecular, el grupo de la Universidad de Ehime controló la formación de nanoestructuras inducidas por Bi en el crecimiento de nanocables ramificados de núcleo y capa de GaAs / GaAsBi. Por lo tanto, allanaron el camino para lograr nanoestructuras de semiconductores III-V inexploradas empleando la sobresaturación característica de las gotas de catalizador, modificaciones estructurales inducidas por tensión, e incorporación en la matriz de GaAs del huésped correlacionada con orientaciones y defectos cristalinos.

El artículo científico que presenta sus resultados fue publicado el 17 de septiembre en la revista Nano letras .

El grupo había obtenido previamente nanocables de heteroestructura GaAs / GaAsBi en Si con una concentración de Bi un 2 por ciento más pequeña que en el informe anterior. Los nanocables exhibieron características estructurales específicas, tener una superficie rugosa con corrugaciones, que probablemente fueron inducidos por el gran desajuste de la red y la acumulación de tensión resultante entre la aleación GaAs y GaAsBi. También, Bi actúa como tensioactivo en el control de la energía superficial, provocando así la síntesis de nanoestructuras. Sin embargo, el impacto de la introducción de Bi en el crecimiento de la aleación GaAsBi está lejos de ser entendido completamente. En el informe, Investigan las características y los mecanismos de crecimiento de los NW multicapa core-shell de GaAs / GaAsBi en sustratos de Si (111), centrándose en la deformación estructural inducida por Bi. Para sintetizar nanocables ramificados III-V, convencionalmente, nanopartículas de catalizador metálico, más comúnmente Au, se emplean como semillas de nucleación para el crecimiento de las ramas. Por otra parte, el grupo utilizó gotitas de autocatalizador Ga y Bi que pueden suprimir la introducción de impurezas de elementos no constituyentes. Cuando Ga es deficiente durante el crecimiento, Bi se acumula en el vértice de los nanocables de GaAs centrales y sirve como catalizador de crecimiento de nanocables para las estructuras ramificadas hasta un azimut cristalino específico. Existe una fuerte correlación entre la acumulación de Bi y las fallas de apilamiento. Es más, Bi se incorpora preferentemente en una orientación de superficie de GaAs restringida, lo que lleva a la incorporación de Bi espacialmente selectiva en un área confinada que tiene una concentración de Bi del 7 por ciento por encima del límite fundamental. La heteroestructura de GaAs / GaAsBi / GaAs obtenida con la interfaz definida por los defectos gemelos cristalinos de una capa atómica, que se puede aplicar potencialmente a una estructura confinada cuántica.

El hallazgo proporciona un concepto de diseño racional para la creación de nanoestructuras basadas en GaAsBi y el control de la incorporación de Bi más allá del límite fundamental. Estos resultados indican el potencial de una nueva nanoestructura semiconductora para dispositivos eficientes de infrarrojo cercano y electrónica cuántica.