Nanodrut - Nanowire

Nanodrutu to nanostruktury , o średnicy rzędu nanometrów (10 ^-9 m). Można go również zdefiniować jako stosunek długości do szerokości większy niż 1000. Alternatywnie, nanodruty można zdefiniować jako struktury, które mają grubość lub średnicę ograniczoną do dziesiątek nanometrów lub mniej i nieograniczoną długość. W tych skalach ważne są efekty mechaniki kwantowej — stąd termin „ przewody kwantowe ”. Istnieje wiele różnych typów nanodrutów, w tym nadprzewodnikowych (np. YBCO ), metalicznych (np. Ni , Pt , Au , Ag), półprzewodnikowych (np. nanodruty krzemowe (SiNW) , InP , GaN ) i izolacyjnych (np. SiO ₂ , TiO ₂ ). Nanodruty molekularne składają się z powtarzających się jednostek molekularnych, organicznych (np. DNA ) lub nieorganicznych (np. Mo ₆ S _9−x I _x ).

Przegląd

Krystaliczny nanodrut z selenku cyny 2×2 atomy wyhodowany wewnątrz jednościennej nanorurki węglowej (średnica rurki ~1 nm).

Obraz HRTEM z filtrowaniem szumów ekstremalnego nanoprzewodu HgTe osadzonego w centralnym porach SWCNT. Obrazowi towarzyszy również symulacja struktury krystalicznej.

Typowe nanodruty wykazują współczynnik kształtu (stosunek długości do szerokości) wynoszący 1000 lub więcej. Jako takie są często określane jako materiały jednowymiarowe (1-D). Nanodruty mają wiele interesujących właściwości, których nie widać w materiałach masowych lub trójwymiarowych (trójwymiarowych). Dzieje się tak, ponieważ elektrony w nanodrutach są kwantowo ograniczone bocznie, a tym samym zajmują poziomy energii, które różnią się od tradycyjnego kontinuum poziomów energii lub pasm występujących w materiałach sypkich.

Specyficzne cechy tego ograniczenia kwantowego, jakie wykazują niektóre nanoprzewody, przejawiają się w dyskretnych wartościach przewodnictwa elektrycznego . Takie dyskretne wartości wynikają z ograniczenia mechaniki kwantowej liczby elektronów, które mogą podróżować przez drut w skali nanometrycznej. Te dyskretne wartości są często określane jako kwant przewodnictwa i są całkowitymi wielokrotnościami

{\ Displaystyle {\ Frac {2e ^ {2}} {h}} \ simeq 77,41 \; \ mu S}

Są odwrotnością dobrze znana jednostka odporność h / e ² , która jest w przybliżeniu równa 25812.8 omów , a dalej stałej von Klitzing R _K (po Klaus von Klitzing , odkrywcy dokładnym kwantyzacji ). Od 1990 roku akceptowana jest stała konwencjonalna wartość R _K-90 .

Przykłady nanodrutów obejmują nieorganiczne nanodruty molekularne (Mo ₆ S _9-x I _x , Li ₂ Mo ₆ Se ₆ ), które mogą mieć średnicę 0,9 nm i długość setek mikrometrów. Inne ważne przykłady są oparte na InP półprzewodników takich jak GaN, Si, itp dielektryków (np SiO ₂ , TiO ₂ ), lub metale (na przykład Ni, Pt).

Istnieje wiele zastosowań, w których nanoprzewody mogą stać się ważne w urządzeniach elektronicznych, optoelektronicznych i nanoelektromechanicznych, jako dodatki do zaawansowanych kompozytów, do połączeń metalicznych w nanoskalowych urządzeniach kwantowych, jako emitery pola i przewody w nanoczujnikach biomolekularnych.

Synteza

Obraz SEM epitaksjalnych nanodrutów heterostruktur wyhodowanych z katalitycznych nanocząstek złota.

Istnieją dwa podstawowe podejścia do syntezy nanoprzewodów: odgórne i oddolne . Podejście odgórne redukuje duży kawałek materiału na małe kawałki za pomocą różnych środków, takich jak litografia , frezowanie lub utlenianie termiczne . Podejście oddolne polega na syntezie nanodrutów poprzez łączenie składowych adatomów . Większość technik syntezy wykorzystuje podejście oddolne. Po początkowej syntezie za pomocą którejkolwiek z metod może często następować etap obróbki termicznej nanodrutem , często obejmujący formę samoograniczającego się utleniania, w celu dostrojenia rozmiaru i współczynnika kształtu struktur.

Produkcja nanodrutów wykorzystuje kilka popularnych technik laboratoryjnych, w tym zawiesinę, osadzanie elektrochemiczne, osadzanie z fazy gazowej i wzrost VLS . Technologia toru jonowego umożliwia hodowlę jednorodnych i segmentowanych nanodrutów o średnicy do 8 nm. Ponieważ szybkość utleniania nanodrutów jest kontrolowana przez średnicę, często stosuje się etapy utleniania termicznego w celu dostosowania ich morfologii.

Zawieszenie

Zawieszony nanodrut to drut wytwarzany w komorze o wysokiej próżni trzymanej na końcach wzdłużnych. Zawieszone nanodruty mogą być produkowane przez:

Wytrawianie chemiczne większego drutu
Bombardowanie większym drutem, zwykle wysokoenergetycznymi jonami
Wcięcie końcówki STM w powierzchnię metalu w pobliżu jego temperatury topnienia, a następnie wycofanie go

Wzrost VLS

Powszechną techniką tworzenia nanodrutów jest metoda para-ciecz-ciało stałe (VLS), którą po raz pierwszy opisali Wagner i Ellis w 1964 roku dla wiskerów krzemowych o średnicach od setek nm do setek µm. W procesie tym można wytworzyć wysokiej jakości nanodruty krystaliczne z wielu materiałów półprzewodnikowych, na przykład wyhodowane metodą VLS nanodruty z monokrystalicznego krzemu (SiNW) o gładkich powierzchniach mogą mieć doskonałe właściwości, takie jak bardzo duża elastyczność. Ta metoda wykorzystuje materiał źródłowy z cząstek poddanych ablacji laserowej lub gazu zasilającego, takiego jak silan .

Synteza VLS wymaga katalizatora. W przypadku nanodrutów najlepszymi katalizatorami są nanoklastry z ciekłego metalu (takiego jak złoto ) , które mogą być samoorganizujące się z cienkiej warstwy przez odwilżanie lub zakupione w formie koloidalnej i osadzone na podłożu.

Źródło wchodzi do tych nanoklastrów i zaczyna je nasycać. Po osiągnięciu przesycenia źródło zestala się i wyrasta na zewnątrz nanoklastra. Wystarczy wyłączyć źródło, aby dostosować ostateczną długość nanoprzewodu. Przełączanie źródeł w fazie wzrostu może tworzyć złożone nanodruty z super-sieciami z naprzemiennych materiałów. Na przykład metoda o nazwie ENGRAVE (Encoded Nanowire GRowth and Appearance through VLS and Etching) opracowana przez Cahoon Lab w UNC-Chapel Hill pozwala na kontrolę morfologiczną w skali nanometrycznej poprzez szybką modulację domieszką in situ .

Jednoetapowa reakcja w fazie gazowej w podwyższonej temperaturze prowadzi do syntezy nieorganicznych nanodrutów, takich jak Mo ₆ S _9−x I _x . Z innego punktu widzenia takie nanodruty to polimery klastrowe .

Wzrost VSS Podobnie jak w przypadku syntezy VLS, synteza nanodrutów (NW) VSS (para-ciało stałe-ciało stałe) przebiega poprzez termolityczny rozkład prekursora krzemu (zwykle fenylosilanu). W przeciwieństwie do VLS, katalityczne nasiona pozostają w stanie stałym, gdy poddawane są wyżarzaniu podłoża w wysokiej temperaturze. Ten rodzaj syntezy jest szeroko stosowany do syntezy nanodrutów z krzemianu metalu/germanidu poprzez stopowanie VSS między podłożem miedzianym a prekursorem krzemu/germanu.

Synteza w fazie roztworu

Synteza w fazie roztworu odnosi się do technik hodowli nanoprzewodów w roztworze. Mogą wytwarzać nanodruty z wielu rodzajów materiałów. Synteza w fazie roztworu ma tę zaletę, że może wytwarzać bardzo duże ilości w porównaniu z innymi metodami. W jednej technice, syntezie poliolu , glikol etylenowy jest zarówno rozpuszczalnikiem, jak i środkiem redukującym. Ta technika jest szczególnie wszechstronna w produkcji nanodrutów ze złota, ołowiu, platyny i srebra.

Metoda wzrostu w stanie nadkrytycznym ciecz-ciecz-ciało stałe może być stosowana do syntezy nanodrutów półprzewodnikowych, np. Si i Ge. Stosując nanokryształy metalu jako zarodki, prekursory metaloorganiczne Si i Ge wprowadza się do reaktora wypełnionego nadkrytycznym rozpuszczalnikiem organicznym, takim jak toluen. Termoliza powoduje degradację prekursora, umożliwiając uwolnienie Si lub Ge i rozpuszczenie w nanokryształach metalu. W miarę dodawania większej ilości substancji rozpuszczonej z półprzewodnika z fazy nadkrytycznej (ze względu na gradient stężenia), wytrąca się stały krystalit, a nanodrut wyrasta jednoosiowo z zarodka nanokryształu.

Obserwacja in situ wzrostu nanodrutów CuO

Wzrost niekatalityczny

Nanodruty można również hodować bez pomocy katalizatorów, co daje przewagę czystych nanodrutów i minimalizuje liczbę etapów technologicznych. Najprostsze metody otrzymywania nanodrutów z tlenków metali wykorzystują zwykłe ogrzewanie metali, np. drut metalowy ogrzewany baterią, ogrzewanie Joule'a w powietrzu można łatwo wykonać w domu. Ogromną większość mechanizmów tworzenia nanodrutów wyjaśnia się za pomocą katalitycznych nanocząstek, które napędzają wzrost nanodrutów i są albo dodawane celowo, albo generowane podczas wzrostu. Jednak mechanizmy bezkatalizatorowego wzrostu nanodrutów (lub wiskerów) były znane od lat 50. XX wieku. Spontaniczne tworzenie nanodrutów metodami niekatalitycznymi wyjaśniono dyslokacją występującą w określonych kierunkach lub anizotropią wzrostu różnych ścian kryształów . Niedawno, po postępach w mikroskopii, zademonstrowano wzrost nanodrutów napędzany dyslokacjami śrub lub granicami bliźniaczymi . Zdjęcie po prawej pokazuje wzrost pojedynczej warstwy atomowej na końcówce nanodrutu CuO, obserwowany za pomocą mikroskopii in situ TEM podczas niekatalitycznej syntezy nanodrutu.

Synteza metalicznego nanodrutu na matrycy DNA

Powstającą dziedziną jest wykorzystanie nici DNA jako rusztowań do syntezy metalicznych nanodrutów. Metoda ta jest badana zarówno pod kątem syntezy metalicznych nanodrutów w komponentach elektronicznych, jak i zastosowań biodetekcji, w których umożliwiają one transdukcję nici DNA w metaliczny nanodrut, który może być wykrywany elektrycznie. Zazwyczaj nici ssDNA są rozciągane, po czym są ozdobione metalicznymi nanocząstkami, które zostały sfunkcjonalizowane krótkimi komplementarnymi nićmi ssDNA.

Litografia masek cieniowych z rysami

Niedawno doniesiono o prostej metodzie wytwarzania nanoprzewodów o określonej geometrii przy użyciu konwencjonalnej litografii optycznej. W tym podejściu litografia optyczna jest wykorzystywana do generowania nanoprzerw przy użyciu kontrolowanego tworzenia pęknięć. Te nanoprzerwy są następnie wykorzystywane jako maska cieni do generowania pojedynczych nanoprzewodów o precyzyjnych długościach i szerokościach. Technika ta umożliwia wytwarzanie pojedynczych nanodrutów o szerokości poniżej 20 nm w skalowalny sposób z kilku materiałów metalicznych i tlenków metali.

Fizyka

Przewodnictwo nanodrutów

Obraz SEM 15 mikrometrowego drutu niklowego.

Kilka przyczyn fizycznych przewiduje, że przewodnictwo nanodrutu będzie znacznie mniejsze niż odpowiedniego materiału masowego. Po pierwsze, występuje rozpraszanie od granic drutu, którego efekt będzie bardzo znaczący, gdy szerokość drutu jest poniżej średniej swobodnej drogi swobodnych elektronów materiału sypkiego. Na przykład w miedzi średnia droga swobodna wynosi 40 nm. Nanodruty miedziane o szerokości mniejszej niż 40 nm skrócą średnią swobodną drogę do szerokości drutu. Srebrne nanodruty mają bardzo inną przewodność elektryczną i cieplną niż srebro luzem.

Nanodruty wykazują również inne szczególne właściwości elektryczne ze względu na swój rozmiar. W przeciwieństwie do jednościennych nanorurek węglowych, których ruch elektronów może podlegać reżimowi transportu balistycznego (co oznacza, że elektrony mogą swobodnie przemieszczać się od jednej elektrody do drugiej), na przewodnictwo nanoprzewodów silnie wpływają efekty krawędziowe. Efekty brzegowe pochodzą od atomów, które leżą na powierzchni nanodrutu i nie są w pełni związane z sąsiednimi atomami, tak jak atomy w masie nanodrutu. Niezwiązane atomy są często źródłem defektów w nanodrutach i mogą powodować, że nanodrut przewodzi elektryczność gorzej niż materiał sypki. W miarę zmniejszania się rozmiaru nanodrutu atomy powierzchniowe stają się liczniejsze w porównaniu z atomami w nanodrutach, a efekty brzegowe stają się ważniejsze.

Co więcej, przewodnictwo może podlegać kwantyzacji energii: tzn. energia elektronów przechodzących przez nanodrut może przyjmować tylko wartości dyskretne, które są wielokrotnością kwantu przewodnictwa G = 2e ² /h (gdzie e jest ładunkiem elektronu, a h jest stałą Plancka .Patrz także efekt Halla Kwantowego ).

Przewodność jest zatem opisana jako suma transportu przez oddzielne kanały o różnych skwantowanych poziomach energii. Im cieńszy drut, tym mniejsza liczba kanałów do transportu elektronów.

Ta kwantyzacja została zademonstrowana poprzez pomiar przewodności nanodrutu zawieszonego między dwiema elektrodami podczas ciągnięcia go: gdy jego średnica maleje, jego przewodność maleje stopniowo, a plateau odpowiadają wielokrotnościom G.

Kwantyzacja przewodnictwa jest bardziej wyraźna w półprzewodnikach, takich jak Si lub GaAs, niż w metalach, ze względu na ich niższą gęstość elektronową i niższą masę efektywną. Można to zaobserwować w żebrach krzemowych o szerokości 25 nm, co skutkuje zwiększonym napięciem progowym . W praktyce oznacza to, że tranzystor MOSFET z takimi nanoskalowymi żebrami krzemowymi, używany w zastosowaniach cyfrowych, będzie potrzebował wyższego napięcia bramki (sterowania), aby włączyć tranzystor.

Spawanie nanodrutów

Aby włączyć technologię nanodrutów do zastosowań przemysłowych, w 2008 r. naukowcy opracowali metodę łączenia ze sobą nanodrutów: metalowy nanodrut protektorowy umieszcza się w sąsiedztwie końców łączonych kawałków (za pomocą manipulatorów skaningowego mikroskopu elektronowego ); następnie przykładany jest prąd elektryczny, który topi końcówki przewodów. Technika ta łączy przewody o długości zaledwie 10 nm.

W przypadku nanodrutów o średnicach mniejszych niż 10 nm dotychczasowe techniki spawania, które wymagają precyzyjnej kontroli mechanizmu nagrzewania i mogą stwarzać możliwość uszkodzenia, nie będą praktyczne. Niedawno naukowcy odkryli, że monokrystaliczne ultracienkie nanodruty ze złota o średnicach ~3–10 nm można „zgrzewać na zimno” w ciągu kilku sekund wyłącznie poprzez kontakt mechaniczny i pod niezwykle niskim ciśnieniem (w przeciwieństwie do procesu zgrzewania na zimno w skali makro i mikro ). . Transmisyjna mikroskopia elektronowa o wysokiej rozdzielczości i pomiary in situ ujawniają, że spoiny są prawie doskonałe, z taką samą orientacją kryształów, wytrzymałością i przewodnością elektryczną jak reszta nanodrutu. Wysoką jakość spoin przypisuje się wymiarom próbki w nanoskali, mechanizmom zorientowanego mocowania i mechanicznie wspomaganej szybkiej dyfuzji powierzchniowej . Zademonstrowano również spoiny nanodrutów między złotem i srebrem oraz nanodrutami srebrnymi (o średnicach ~5–15 nm) w temperaturze zbliżonej do pokojowej, co wskazuje, że technika ta może mieć ogólne zastosowanie w przypadku ultracienkich nanodrutów metalicznych. Przewiduje się, że w połączeniu z innymi technologiami nano- i mikrowytwarzania spawanie na zimno będzie miało potencjalne zastosowania w przyszłym oddolnym montażu metalowych jednowymiarowych nanostruktur.

Właściwości mechaniczne nanodrutów

Badanie właściwości mechanicznych nanodrutów

Krzywa naprężenie-odkształcenie zapewnia wszystkie istotne właściwości mechaniczne, w tym; moduł rozciągania, granica plastyczności, ostateczna wytrzymałość na rozciąganie i wytrzymałość na pękanie

Badania mechaniki nanodrutów kwitły od czasu pojawienia się mikroskopu sił atomowych (AFM) i powiązanych technologii, które umożliwiły bezpośrednie badanie reakcji nanodrutów na przyłożone obciążenie. W szczególności nanodrut można zacisnąć z jednego końca, a wolny koniec przesunąć końcówką AFM. W tej geometrii wspornika wysokość AFM jest dokładnie znana, a przyłożona siła jest dokładnie znana. Pozwala to na skonstruowanie krzywej siły w funkcji przemieszczenia, którą można przekształcić w krzywą naprężenia w funkcji odkształcenia, jeśli znane są wymiary nanodrutów. Z krzywej naprężenie-odkształcenie można wyprowadzić stałą sprężystości znaną jako moduł Younga , a także wiązkość i stopień umocnienia zgniotowego .

Moduł Younga nanodrutów

Składowa sprężysta krzywej naprężenie-odkształcenie opisana modułem Younga została opisana dla nanodrutów, jednak moduł ten bardzo silnie zależy od mikrostruktury. Brakuje zatem pełnego opisu zależności modułu od średnicy. Analitycznie, mechanika kontinuum została zastosowana do oszacowania zależności modułu od średnicy: w rozciąganiu, gdzie jest moduł objętościowy, jest grubością warstwy powłoki, której moduł jest zależny od powierzchni i różni się od objętościowego, jest modułem powierzchniowym, i jest średnicą. Z tego równania wynika, że moduł rośnie wraz ze spadkiem średnicy. Jednak różne metody obliczeniowe, takie jak dynamika molekularna, przewidują, że moduł powinien zmniejszać się wraz ze spadkiem średnicy. ${\ Displaystyle E = E_ {0} [1 + 4 (E_ {0} / E_ {s} -1) (r_ {s} / D-r_ {s} ^ {2} / D ^ {2})] }$ $E_{0}$ $r_{s}$ ${\ Displaystyle E {s}}$ ${\ Displaystyle D}$

Eksperymentalnie wykazano, że złote nanodruty mają moduł Younga, który jest faktycznie niezależny od średnicy. Podobnie, do badania modułu nanodrutów srebra zastosowano nano-wgłębienie i ponownie stwierdzono, że moduł wynosi 88 GPa, bardzo zbliżony do modułu srebra w masie (85 GPa). Prace te wykazały, że wyznaczona analitycznie zależność modułu wydaje się być stłumiony w próbkach nanoprzewodów, gdzie struktura krystaliczna bardzo przypomina strukturę systemu masowego.

W przeciwieństwie do tego, zbadano stałe nanodruty Si i wykazano, że mają one malejący moduł wraz ze średnicą. Autorzy tej pracy podają moduł Si, który jest o połowę mniejszy od wartości nasypowej i sugerują, że gęstość defektów punktowych i strat stechiometrii chemicznej może wyjaśniać tę różnicę.

Wytrzymałość plastyczności nanodrutów

Składowa plastyczna krzywej naprężenie odkształcenie (a dokładniej początek plastyczności) jest opisana przez granicę plastyczności . Wytrzymałość materiału zwiększa się poprzez zmniejszenie liczby defektów w ciele stałym, co naturalnie występuje w nanomateriałach, w których objętość ciała stałego jest zmniejszona. Ponieważ nanodrut skurczy się do pojedynczej linii atomów, wytrzymałość powinna teoretycznie wzrosnąć aż do molekularnej wytrzymałości na rozciąganie. Złote nanodruty zostały opisane jako „ultrawysoka wytrzymałość” ze względu na ekstremalny wzrost granicy plastyczności, zbliżający się do teoretycznej wartości E/10. Ten ogromny wzrost wydajności wynika z braku dyslokacji w ciele stałym. Bez ruchu dyslokacyjnego działa mechanizm „głodzenia dyslokacji”. Materiał może w związku z tym podlegać ogromnym naprężeniom, zanim możliwy będzie ruch dyslokacyjny, a następnie zacznie twardnieć. Z tych powodów nanodruty (historycznie określane jako „wąsy”) są szeroko stosowane w kompozytach w celu zwiększenia ogólnej wytrzymałości materiału. Co więcej, nanoprzewody są nadal aktywnie badane, a badania mają na celu przełożenie ulepszonych właściwości mechanicznych na nowatorskie urządzenia w dziedzinie MEMS lub NEMS .

Aplikacje

Urządzenia elektryczne

Wyniki symulacji atomistycznej dla utworzenia kanału inwersji (gęstości elektronowej) i osiągnięcia napięcia progowego (IV) w nanoprzewodowym tranzystorze MOSFET. Zauważ, że napięcie progowe dla tego urządzenia wynosi około 0,45V.

Nanoprzewody mogą być używane do tranzystorów MOSFET ( tranzystory polowe MOS ). Tranzystory MOS są szeroko stosowane jako podstawowe elementy konstrukcyjne we współczesnych obwodach elektronicznych. Jak przewiduje prawo Moore'a , rozmiar tranzystorów MOS kurczy się coraz bardziej do nanoskali. Jednym z kluczowych wyzwań związanych z budowaniem przyszłych nanoskalowych tranzystorów MOS jest zapewnienie dobrej kontroli bramki w kanale. Ze względu na wysoki współczynnik kształtu, jeśli dielektryk bramki jest owinięty wokół kanału nanodrutu, możemy uzyskać dobrą kontrolę potencjału elektrostatycznego kanału, a tym samym sprawnie włączać i wyłączać tranzystor.

Dzięki unikalnej jednowymiarowej strukturze o niezwykłych właściwościach optycznych nanodrut otwiera również nowe możliwości realizacji wysokowydajnych urządzeń fotowoltaicznych. W porównaniu z masowymi odpowiednikami, ogniwa słoneczne z nanoprzewodami są mniej wrażliwe na zanieczyszczenia ze względu na rekombinację masową, dzięki czemu można stosować płytki krzemowe o niższej czystości w celu osiągnięcia akceptowalnej wydajności, co prowadzi do zmniejszenia zużycia materiału.

Pierwszym kluczowym etapem tworzenia aktywnych elementów elektronicznych było chemiczne domieszkowanie nanoprzewodu półprzewodnikowego. Zrobiono to już z pojedynczymi nanoprzewodami, aby stworzyć półprzewodniki typu p i n.

Kolejnym krokiem było znalezienie sposobu na stworzenie złącza p–n , jednego z najprostszych urządzeń elektronicznych. Osiągnięto to na dwa sposoby. Pierwszym sposobem było fizyczne skrzyżowanie drutu typu p przez drut typu n. Druga metoda polegała na chemicznym domieszkowaniu pojedynczego drutu różnymi domieszkami na całej długości. Ta metoda stworzyła złącze pn z tylko jednym przewodem.

Po zbudowaniu złącz pn za pomocą nanoprzewodów, kolejnym logicznym krokiem było zbudowanie bramek logicznych . Łącząc ze sobą kilka złączy pn, naukowcy byli w stanie stworzyć podstawę wszystkich obwodów logicznych: bramki AND , OR i NOT zostały zbudowane ze skrzyżowań półprzewodnikowych nanoprzewodów.

W sierpniu 2012 r. naukowcy zgłosili skonstruowanie pierwszej bramki NAND z niedomieszkowanych nanoprzewodów krzemowych. Pozwala to uniknąć nierozwiązanego problemu, jak osiągnąć precyzyjne domieszkowanie komplementarnych nanoobwodów. Udało im się kontrolować barierę Schottky'ego, aby uzyskać kontakty o niskiej rezystancji, umieszczając warstwę krzemku na granicy faz metal-krzem.

Możliwe, że skrzyżowania półprzewodnikowych nanoprzewodów będą ważne dla przyszłości obliczeń cyfrowych. Chociaż istnieją inne zastosowania nanoprzewodów poza tymi, jedynymi, które faktycznie wykorzystują fizykę w reżimie nanometrycznym, są elektroniczne.

Ponadto badane są również nanodruty pod kątem wykorzystania jako fotonowe falowody balistyczne jako połączenia międzysieciowe w układach logiki fotonowej kropek kwantowych i studni efektów kwantowych. Fotony przemieszczają się wewnątrz tuby, elektrony po zewnętrznej powłoce.

Kiedy dwa nanodruty pełniące funkcję falowodów fotonowych przecinają się, złącze działa jak kropka kwantowa .

Przewodzące nanodruty dają możliwość łączenia jednostek w skali molekularnej w komputerze molekularnym. Badane są dyspersje przewodzących nanodrutów w różnych polimerach pod kątem zastosowania jako przezroczyste elektrody do elastycznych wyświetlaczy płaskoekranowych.

Ze względu na ich wysokie moduły Younga , badane jest ich zastosowanie w mechanicznie wzmacnianych kompozytach. Ponieważ nanodruty występują w wiązkach, mogą być stosowane jako dodatki trybologiczne poprawiające charakterystykę tarcia oraz niezawodność elektronicznych przetworników i aktuatorów.

Ze względu na wysoki współczynnik kształtu, nanodruty są również wyjątkowo przystosowane do manipulacji dielektroforetycznych , co zapewnia tanie, oddolne podejście do integracji nanodrutów z zawieszonych dielektrycznych tlenków metali w urządzeniach elektronicznych, takich jak czujniki UV, pary wodnej i etanolu.

Ze względu na duży stosunek powierzchni do objętości, reakcje fizykochemiczne są korzystne na powierzchni nanodrutów. Może to ułatwić mechanizmy degradacji działające w niektórych nanodrutach w określonych warunkach przetwarzania, takich jak środowisko plazmy.

Urządzenia z pojedynczym nanoprzewodem do wykrywania gazów i substancji chemicznych

Jak wspomniano wcześniej, wysoki współczynnik kształtu nanodrutów sprawia, że nanostruktury te nadają się do wykrywania elektrochemicznego z potencjałem najwyższej czułości. Jedno z wyzwań stojących przed zastosowaniem nanoprzewodów w produktach komercyjnych wiąże się z izolacją, obsługą i integracją nanoprzewodów w obwodzie elektrycznym przy użyciu konwencjonalnego i ręcznego podejścia typu „podnieś i umieść”, co prowadzi do bardzo ograniczonej przepustowości. Ostatnie postępy w metodach syntezy nanodrutów pozwalają obecnie na równoległą produkcję pojedynczych urządzeń z nanodrutami o przydatnych zastosowaniach w elektrochemii, fotonice oraz wykrywaniu gazów i biodetekcji.

Lasery Nanowire

Lasery Nanowire do ultraszybkiego przesyłania informacji w impulsach świetlnych

Lasery nanodrutu są nano-skalowane laserów z potencjałem jak interkonektami optyczne oraz transmisji danych na chipie. Lasery nanodrutowe zbudowane są z heterostruktur półprzewodnikowych III–V, a wysoki współczynnik załamania światła pozwala na niską stratę optyczną w rdzeniu nanodrutowym. Lasery nanoprzewodowe to lasery o subfalowych długościach zaledwie kilkuset nanometrów. Lasery Nanowire to wnęki rezonatora Fabry'ego-Perota zdefiniowane przez końcowe ścianki drutu o wysokim współczynniku odbicia, ostatnie osiągnięcia wykazały częstotliwość powtarzania większą niż 200 GHz, oferującą możliwości komunikacji na poziomie chipów optycznych.

Wykrywanie białek i substancji chemicznych za pomocą nanoprzewodów półprzewodnikowych

Analogicznie do urządzeń FET, w których modulacja przewodnictwa (przepływ elektronów/dziur) w półprzewodniku, pomiędzy zaciskami wejściowymi (źródłem) i wyjściowymi (drenami), jest kontrolowana przez zmienność potencjału elektrostatycznego (bramka-elektroda) nośników ładunku w kanale przewodzenia urządzenia, metodologia Bio/Chem-FET opiera się na wykrywaniu lokalnej zmiany gęstości ładunku lub tzw. „efektu pola”, który charakteryzuje zdarzenie rozpoznania między docelową cząsteczką a receptor powierzchniowy.

Ta zmiana potencjału powierzchniowego wpływa na urządzenie Chem-FET dokładnie tak, jak napięcie „bramkowe”, prowadząc do wykrywalnej i mierzalnej zmiany przewodnictwa urządzenia. Gdy urządzenia te są wytwarzane przy użyciu nanoprzewodów półprzewodnikowych jako elementu tranzystorowego, wiązanie substancji chemicznej lub biologicznej z powierzchnią czujnika może prowadzić do wyczerpania lub akumulacji nośników ładunku w „masie” nanodrutów o średnicy nanometrycznej, tj. (mały krzyż sekcja dostępna dla kanałów przewodzących). Ponadto drut, który służy jako przestrajalny kanał przewodzący, jest w bliskim kontakcie ze środowiskiem detekcyjnym celu, co prowadzi do krótkiego czasu odpowiedzi, wraz ze wzrostem czułości urządzenia o rzędy wielkości w wyniku ogromnego Stosunek S/V nanodrutów.

Chociaż do wytwarzania nanoprzewodów zastosowano kilka nieorganicznych materiałów półprzewodnikowych, takich jak Si, Ge i tlenki metali (np. In2O3, SnO2, ZnO itp.), Si jest zwykle materiałem z wyboru przy wytwarzaniu chemo/bioczujników opartych na nanoprzewodach FET. .

Kilka przykładów zastosowania urządzeń wykrywających z nanoprzewodów krzemowych (SiNW) obejmuje ultraczułe wykrywanie w czasie rzeczywistym białek biomarkerów raka, wykrywanie pojedynczych cząstek wirusa oraz wykrywanie nitroaromatycznych materiałów wybuchowych, takich jak 2,4,6 Tri-nitrotoluen (TNT) u wrażliwych psów przewyższa psy. Nanodruty krzemowe można by również stosować w postaci skręconej, jako urządzenia elektromechaniczne, do bardzo precyzyjnego pomiaru sił międzycząsteczkowych.

Ograniczenia wykrywania za pomocą krzemowych urządzeń FET z nanoprzewodami

Ogólnie rzecz biorąc, ładunki na rozpuszczonych cząsteczkach i makrocząsteczkach są przesiewane przez rozpuszczone przeciwjony, ponieważ w większości przypadków cząsteczki związane z urządzeniami są oddzielone od powierzchni czujnika o około 2–12 nm (rozmiar białek receptorowych lub łączników DNA związanych z czujnikiem powierzchnia). W wyniku ekranowania potencjał elektrostatyczny wynikający z ładunków na cząsteczce analitu spada wykładniczo w kierunku zera wraz z odległością. W związku z tym, dla optymalnego wykrywania, długość Debye'a musi być starannie dobrana do pomiarów nanoprzewodowych FET. Jedno podejście do przezwyciężenia tego ograniczenia obejmuje fragmentację jednostek wychwytujących przeciwciała i kontrolę gęstości receptora powierzchniowego, umożliwiając bardziej dokładne wiązanie z nanodrutem białka docelowego. Podejście to okazało się przydatne w radykalnym zwiększeniu czułości wykrywania biomarkerów sercowych (np. troponiny ) bezpośrednio z surowicy w diagnostyce ostrego zawału mięśnia sercowego.

Wspomagany nanoprzewodami transfer wrażliwych próbek TEM

W celu minimalnego wprowadzania naprężeń i zginania do próbek z transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) ( lamele , cienkie folie i inne próbki wrażliwe mechanicznie i na wiązkę), podczas przenoszenia wewnątrz skupionej wiązki jonów (FIB), elastyczne metalowe nanodruty można przymocować do typowo sztywny mikromanipulator .

Główne zalety tej metody to znaczne skrócenie czasu przygotowania próbki (szybkie spawanie i cięcie nanodrutu przy małym prądzie wiązki) oraz minimalizacja zginania wywołanego naprężeniami, zanieczyszczenia Pt i uszkodzenia wiązki jonów. Ta technika jest szczególnie odpowiednia do przygotowania próbek pod mikroskopem elektronowym in situ .

Nanodruty podobne do kukurydzy

Nanodrut podobny do kukurydzy to jednowymiarowy nanodrut z wzajemnie połączonymi nanocząsteczkami na powierzchni, zapewniający duży procent reaktywnych ścianek. Nanodruty podobne do kukurydzy TiO ₂ zostały po raz pierwszy przygotowane zgodnie z koncepcją modyfikacji powierzchni przy użyciu mechanizmu naprężeń napięcia powierzchniowego w dwóch kolejnych operacjach hydrotermalnych i wykazały wzrost o 12% wydajności ogniwa słonecznego sensybilizowanego barwnikiem w warstwie rozpraszającej światło. Wcześniej opisywano również kukurydziane nanodruty CdSe hodowane w kąpieli chemicznej i kukurydziane fotokatalizatory γ-Fe ₂ O ₃ @SiO ₂ @TiO ₂ indukowane przez magnetyczne oddziaływania dipolowe.

Languages

In other projects