Ниткоподібний нанокристал
InP нановіскери, вирощені на Si підкладці
Ниткоподібний нанокристал(ННК), часто званий такожнановіскер(від англ.nanowhisker) абонаноніть,нанодрот(від англ.nanowires), а такожнаностержень(англ.nanorod) - це одномірний наноматеріал, довжина якого значно перевищує інші виміри, які, своєю чергою, вбирається у кілька десятків нанометрів.
Існують різні види ННК, серед яких металеві (наприклад Ni, Au та інші), напівпровідникові (наприклад Si, InP, GaN та інші), молекулярні (що складаються з молекулярних одиниць органічного або неорганічного походження) та інші.
Зміст
- 1 Термінологія
- 2 Отримання ПНК
- 2.1 Механізм зростання пар-рідина-кристал
- 2.2 Методи планарної технології
- 2.3 Спонтанне зростання
- 2.4 Інші методи
Термінологія Масив ННК вирощених за допомогою механізму "Пар-рідина-кристал" з використанням золотого каталізатора
Формально кажучи, існує деяка різниця між поняттяминановіскеріві, наприклад,нанодроту, тому що в першому випадку, зазвичай, маються на увазі відносно короткі кристалічні структури з довжиною в кілька мікрометрів, а в останньому маються на увазі надзвичайно довгі наноструктури, що буквально нагадують дріт. В українськомовній науковій літературі, як правило, використовується термінниткоподібнінанокристали(ННК) абонановіскери. Словник нанотехнологічних термінів дає різні описи поняттямнанонітьтанановіскер. Слід зазначити, що поняття наностержень істотно відрізняється від інших понять, т.к. має на увазі, що довжина об'єкта перевищує його діаметр всього в кілька разів, а в науковій літературі, під наностержнем, також часто мається на увазі ННК діаметром, що перевищує 100-200 нм. Іншими словами, під наностержнем мають на увазі нанооб'єкти, що буквально нагадують короткий стрижень, під нанонітями, що нагадують довгі нитки, а під нановіскерами швидше щось середнє. Як би там не було, повсюдно можна зустріти вкрай неоднозначне використання всіх цих термінів, під якими можуть бути як короткі, так і довгі одновимірні наноструктури. Таким чином, терміни ННК та одновимірна наноструктура є до певної міри найбільш загальними. Всі ці терміни не слід плутати з поняттям нанотрубки. Отримання ПНК
Найбільш поширеним механізмом зростання напівпровідникових ННК є механізм пар-рідина-кристал, який був продемонстрований ще 1964 року. У цьому методі здійснюється епітаксійне зростання ННК методами хімічного осадження з газової фази або молекулярно-пучкової епітаксії.
Для цього на поверхню підкладки спочатку осідає тонка плівка золота, що грає роль каталізатора, після чого в камері підвищується температура, і золото утворює масив крапель. Далі, подаються компоненти для зростання напівпровідникового матеріалу, наприклад, елементи In і P для зростання InP ННК. Ефект активації частинками каталізатора полягає в тому, що зростання на поверхні під краплею відбувається у багато разів швидше, ніж на неактивованій поверхні, таким чином, крапля каталізатора піднімається надповерхнею, нарощуючи під собою ниткоподібний кристал. Методи планарної технології.
Іноді для створення одномірних нанооб'єктів, які також називають ННК або нанонітями, використовують методи планарної технології. Наприклад, на поверхні, методами фотолітографії та травлення, створюються вертикальні пази або V-подібні канавки, в які осідає матеріал. Збираючись у даних пазах чи канавках, матеріал утворює як би одномірні наноструктури у вертикальному чи горизонтальному напрямах відповідно. Інший метод отримання одномірних наноструктур полягає в тому, що на SOI підкладці, методами фото та електронної літографії створюється масочний шар з малюнком бажаного ННК. Далі, через цей шар, поверхневий шар кремнію стравлюється, залишаючи лише ННК кремнію на ізоляторі. У деяких випадках, ізолятор також витравлюють з-під ННК, залишаючи вільні наноструктури. Спонтанне зростання
Найпростіший метод отриманняННК оксиду металу це звичайний нагрівання металів на повітрі може бути легко зробити в домашніх умовах. Механізми зростання відомі з 1950-х років. Спонтанне утворення ННК відбуватиметься за допомогою дефектів кристалічних ґрат: дислокацій, присутніх у певних напрямках або анізотропії зростання різних граней кристала. Після просування в мікроскопії продемонстровано зростання ННК за допомогою гвинтових дислокацій або меж двійників. Інші методи
Крім вищевикладених методів, існують також такі методи отримання ННК, як механізм "пар-кристал-кристал", зростання кристалів без використання зовнішнього каталізатора (самокаталізоване зростання), селективна епітасія і деякі інші методики. Гетероструктури на ПНК
ННК можуть бути вирощені як з одного матеріалу, так і складатися з двох і більшешарів різних матеріалів, вирощених один на одному (наприклад, InAsInP). І тут говорять про гетероструктурі з урахуванням ННК. Для отримання гетероструктур на основі ННК, в процесі епітаксійного росту кристала, певний момент припиняється подача елементів однієї речовини, і починається подача іншої, так що шари нового матеріалу формуються в матриці попереднього.
Розрізняють два основних типи гетероструктур на основі ННК: осьові, коли тонкі шари різних матеріалів розташовуються поперек осі росту кристала, і радіальні, коли один матеріал оточує інший. За формою серед гетероструктур на основі ННК розрізняють квантові точки, осьові і радіальні квантові ями, квантові стрижні (подовжені квантові точки), надрешітки та інші структури. Основні властивості ННК Кристалічна структура вюрциту Кристалічна структура сфалериту Спектри мікро-фотолюмінесценції InAsInP нановіскеру, отримані при поляризаторі поверненому паралельно та перпендикулярно нановіскеру.
ННК і гетероструктури на їх основі мають цілу низку унікальних властивостей, що відрізняють їх від інших нанооб'єктів і макророзмірних кристалів. Нижче розглянуті найвідоміші з них. Кристалічна структура напівпровідникових ПНК
Більшість напівпровідникових III-V кристалів (наприклад GaAs, InAs, InP та інші), у нормальному стані, мають кристалічну структуру цинкової обманки (сфалериту), коли лише деякі з них, наприклад нітридні сполуки (GaN, AlN), мають гексагональну структуру вюрциту . Особливістю кристалічної структури ННК є той факт, що вона може мати форму цинкової обманки, так і вюрциту, залежно від умов зростання кристалів. Понад те, один ННК нерідко містить різні зони зі структурами обох типів. В цьомувипадки, використовуючи методи фотолюмінесцентної спектроскопії, можна спостерігати так звану рекомбінацію другого типу, коли носії заряду з однієї зони рекомбінують з носіями з іншої зони, через що випромінювання відбувається з енергією менше ширини забороненої зони. Загалом властивості матеріалів з кристалічною структурою вюрциту досить сильно відрізняються від властивостей матеріалу зі структурою цинкової обманки, що наділяє напівпровідникові ННК рядом властивостей не характерних для даного матеріалу в звичайному стані. Наприклад, матеріали з кристалічною структурою вюрциту, як правило, мають великі п'єзоелектричні константи, що обумовлює існування вбудованих п'єзоелектричних полів в гетероструктурах ННК, що у випадки гетероструктур на ННК, може призводити до квантоворозмірного ефекту Штарка. Анізотропія поляризації випромінювання
Завдяки своїй одновимірній формі та особливостям кристалічної структури ННК мають нетривіальну анізотропію поляризації випромінювання. Дослідження ННК методами мікро-фотолюмінесцентної спектроскопії показують, що з одного боку, з точки зору класичної оптики, випромінювання та поглинання на довжинах хвиль, що перевищують діаметр ННК, відбуватиметься в основному для хвиль поляризованих паралельно головної осі ННК, т.к. хвилі перпендикулярні їй будуть пригнічені через різницю діелектричних постійних ННК та повітря. З іншого боку, обчислення квантових рівнів у напівпровідниках з кристалічною структурою вюрциту показує, що випромінювання має відбуватися перпендикулярно до осі росту кристала вюрциту, що й спостерігається експериментально при порівнянні випромінювання зразків ННК з кристалічними структурами обох типів. Крім того, на поляризацію ННК та ННК гетероструктур можуть впливати й низка інших факторів. Таким чиноманізотропія поляризації у цих наноструктурах є комплексною проблемою. Релаксація пружної напруги
У процесі епітаксійного зростання кристалів на поверхні кристалів іншого матеріалу, постає проблема механічної напруги, що з'являється через неузгодженість постійних кристалічних ґрат цих матеріалів. Великі неузгодженості призводять до появи дислокацій невідповідності. Унікальною властивістю гетероструктур на ННК є релаксація пружних напруг на бічній поверхні ННК, що дозволяє створювати бездефектні гетероструктури з більшим неузгодженістю, ніж у планарних структур. Можливе неузгодження постійних грат, в даному випадку, буде обернено пропорційно радіусу ННК. Як би там не було, залишкові напруги можуть призводити до п'єзоелектричних ефектів у ННК із кристалічною структурою вюрциту. Потенційне застосування
ННК є відносно новим матеріалом і на 2014 рік не має промислового застосування. Як би там не було, було продемонстровано безліч потенційних застосувань ННК у різних галузях електроніки та медицини. Зокрема, було здійснено численні спроби продемонструвати різні можливості використання ННК у галузі фотовольтаїки для створення сонячних елементів. Крім цього, ННК можуть знайти застосування в термоелектричних та п'єзоелектричних пристроях. ННК можуть бути використані для створення різних електронних пристроїв, наприклад, p-n переходів і транзисторів. Було проведено безліч робіт, що досліджують ННК як активний елемент наносенсорів для експрес-діагностики різних хімічних та біологічних об'єктів, зокрема вірусів. Оптичні властивості НКК і гетероструктур на їх основі можуть бути використані для різнихсвітловипромінюючих та детектуючих застосувань. Зокрема, на основі ННК було продемонстровано можливості побудови лазерів, джерел випромінювання для передачі сигналів, фотодетекторів, світлодіодів та інших оптичних приладів. У цьому зв'язку було продемонстровано квантовий вихід гетороструктур на ННК, порівнянний зі значеннями для планарних аналогів. також
- Фотолюмінесцентна спектроскопія
- Нанотрубки
- Наноструктури
- Наностержень