Des scientifiques de Harvard ont développé une méthode unique en son genre pour créer une classe de nanofils qui pourraient un jour avoir des applications dans des domaines allant de l'électronique grand public aux panneaux solaires.

La technique, développé par Bobby Day et Max Mankin, étudiants diplômés travaillant dans le laboratoire de Charles Lieber, le professeur de chimie Mark Hyman Jr., tire parti de deux principes bien connus. L'un est l'instabilité de Plateau-Rayleigh, un aspect de la dynamique des fluides qui décrit pourquoi un mince filet d'eau se brise en gouttelettes plus petites. L'autre implique la croissance cristalline. La technique est décrite dans un article récemment publié dans la revue Nature Nanotechnologie .

"C'est vraiment une découverte fondamentale, " Day a déclaré. "Nous sommes encore dans les premiers stades, mais nous pensons qu'il y a beaucoup de place pour la découverte, à la fois des propriétés fondamentales de ces structures ainsi que des applications."

Décrit pour la première fois en 1870, L'instabilité de Plateau-Rayleigh est normalement associée aux liquides, mais les chercheurs depuis des années ont reconnu un phénomène similaire dans les nanofils. Lorsqu'il est chauffé à des températures extrêmes, les fils se transforment de solide en une série de gouttelettes périodiquement espacées.

Pour créer le nouveau type de fil, Day et Mankin ont chauffé des nanofils cultivés de manière traditionnelle juste en dessous de ce point de transformation dans une chambre à vide, puis pompé dans des atomes de silicium, qui cristallisent spontanément sur le fil.

Plutôt que de former une coquille uniforme, les atomes se transforment en structures régulièrement espacées, semblable aux gouttelettes qui apparaissent lorsque les nanofils se décomposent à haute température. Contrairement aux gouttelettes, bien que, le processus peut être étroitement contrôlé.

« En faisant varier la température et la pression, nous pouvons exercer un certain contrôle sur la taille et l'espacement de ces structures, " Day a dit. " Ce que nous avons trouvé, c'est que si nous modifions les conditions, nous pouvons « régler » la façon dont ces structures sont construites. »

En plus de dupliquer le procédé dans des nanofils de 20 à 100 nanomètres de diamètre, les chercheurs ont démontré le processus en utilisant plusieurs combinaisons de matériaux, y compris le silicium et le germanium. En plus de pouvoir "régler" la distance entre les lobes sur des nanofils, Mankin a déclaré que les tests ont montré qu'ils étaient également capables de régler la section transversale des fils.

"Nous pouvons ajuster la section pour produire des fils plus arrondis ou de type carré, " a déclaré Mankin. "Nous avons également été en mesure de produire des fils avec une forme de plaquette."

Avec ces nouvelles structures, les chercheurs ont trouvé, est venu de nouvelles propriétés pour les fils. Alors que l'étude de Day et Mankin se concentrait sur la capacité des fils à absorber différentes longueurs d'onde de la lumière, tous deux ont déclaré que des recherches supplémentaires sont nécessaires pour explorer d'autres propriétés.

"Ce document n'est qu'un exemple, " Day a dit. "Il y a beaucoup d'autres propriétés, y compris la conductance thermique, conductance électrique, et les propriétés magnétiques - qui dépendent du diamètre des fils, et ils doivent encore être explorés."

Bien que cela puisse prendre des années pour explorer pleinement ces propriétés supplémentaires, Day et Mankin ont déclaré que des applications pour les nouveaux fils pourraient émerger à court terme.

« Des structures à cette échelle, parce qu'ils sont de taille inférieure à la longueur d'onde, absorber la lumière très efficacement, " expliqua Day. " Ils agissent presque comme des antennes optiques, et y canaliser la lumière. Des recherches antérieures ont montré que des fils de diamètres différents absorbent différentes longueurs d'onde de lumière. Par exemple, les très petits diamètres absorbent bien la lumière bleue, et les diamètres plus grands absorbent la lumière verte. Ce que nous avons montré, c'est que si vous avez cette modulation le long de la structure… nous pouvons avoir le meilleur des deux mondes et absorber les deux longueurs d'onde sur la même structure."

Les capacités inhabituelles d'absorption de la lumière des nouveaux fils ne s'arrêtent pas là, bien que.

En réduisant l'espace entre les structures cristallines, Day et Mankin ont découvert que les fils n'absorbent pas seulement la lumière à des longueurs d'onde spécifiques, ils absorbent également la lumière d'autres parties du spectre.

"C'est en fait plus qu'un simple effet additif, " Dit Day. " Alors que vous réduisez l'espacement à des distances inférieures à environ 400 nanomètres, il crée ce qu'on appelle des modes de réseau, et nous voyons ces énormes pics d'absorption dans l'infrarouge. Cela signifie que vous pourriez absorber la même quantité de lumière infrarouge avec ces nanofils qu'avec des matériaux traditionnels en silicium qui sont 100 fois plus épais."

"C'est une découverte puissante car auparavant, si vous vouliez utiliser des nanofils pour la photo-détection de la lumière verte et bleue, vous auriez besoin de deux fils, " a déclaré Mankin. " Maintenant, nous pouvons réduire la quantité d'espace qu'un appareil peut occuper en ayant plusieurs fonctions dans un seul fil. Nous serons en mesure de construire des appareils plus petits qui maintiennent toujours une efficacité élevée, et dans certains cas tireront parti des nouvelles propriétés qui émergeront de cette modulation que vous n'avez pas dans les fils de diamètre uniforme."

Cette histoire est publiée avec l'aimable autorisation de la Harvard Gazette, Journal officiel de l'université Harvard. Pour des nouvelles universitaires supplémentaires, visitez Harvard.edu.