Les nanofils – des fibres microscopiques qui peuvent être « cultivées » en laboratoire – sont un sujet de recherche brûlant aujourd'hui, avec une variété d'applications potentielles, y compris les diodes électroluminescentes (DEL) et les capteurs. Maintenant, une équipe de chercheurs du MIT a trouvé un moyen de contrôler avec précision la largeur et la composition de ces minuscules brins à mesure qu'ils grandissent, permettant de développer des structures complexes conçues de manière optimale pour des applications particulières.

Les résultats sont décrits dans un nouvel article rédigé par Silvija Gradečak, professeure adjointe de science et d'ingénierie des matériaux au MIT et son équipe, publié dans la revue Lettres nano .

Les nanofils ont été d'un grand intérêt car des structures avec des dimensions si minuscules - généralement quelques dizaines de nanomètres, ou des milliardièmes de mètre, de diamètre - peuvent avoir des propriétés très différentes de celles des mêmes matériaux dans leur forme plus grande. C'est en partie parce qu'à des échelles aussi minuscules, les effets de confinement quantique - basés sur le comportement des électrons et des phonons dans le matériau - commencent à jouer un rôle important dans le comportement du matériau, ce qui peut affecter la façon dont il conduit l'électricité et la chaleur ou interagit avec la lumière.

En outre, parce que les nanofils ont une surface particulièrement importante par rapport à leur volume, ils sont particulièrement bien adaptés à une utilisation en tant que capteurs, dit Gradečak.

Son équipe a pu contrôler et faire varier à la fois la taille et la composition des fils individuels au fur et à mesure de leur croissance. Les nanofils sont cultivés en utilisant des particules « graines », des nanoparticules métalliques qui déterminent la taille et la composition du nanofil. En ajustant la quantité de gaz utilisée dans la croissance des nanofils, Gradečak et son équipe ont pu contrôler la taille et la composition des particules de graines et, donc, les nanofils au fur et à mesure de leur croissance. « Nous sommes en mesure de contrôler ces deux propriétés simultanément, " elle dit. Alors que les chercheurs menaient leurs expériences de croissance de nanofils avec du nitrure d'indium et du nitrure d'indium et de gallium, ils disent que la même technique pourrait être appliquée à une variété de matériaux différents.

Ces nanofils sont bien trop petits pour être vus à l'œil nu, mais l'équipe a pu les observer en microscopie électronique, faire des ajustements au processus de croissance en fonction de ce qu'ils ont appris sur les modèles de croissance. En utilisant un processus appelé tomographie électronique, ils ont pu reconstituer la forme tridimensionnelle de fils nanométriques individuels. Dans une étude connexe récemment publiée dans la revue Nanoéchelle , l'équipe a également utilisé une technique unique de microscopie électronique appelée cathodoluminescence pour observer quelles longueurs d'onde de lumière sont émises par différentes régions de nanofils individuels.

Des nanofils précisément structurés pourraient faciliter une nouvelle génération de dispositifs semi-conducteurs, dit Gradečak. Un tel contrôle de la géométrie et de la composition des nanofils pourrait permettre des dispositifs avec une meilleure fonctionnalité que les dispositifs conventionnels à couche mince faits des mêmes matériaux, elle dit.

Une application probable des matériaux développés par Gradečak et son équipe est dans les ampoules LED, qui ont une durabilité beaucoup plus grande et sont plus économes en énergie que les autres alternatives d'éclairage. Les couleurs de lumière les plus importantes à produire à partir des LED sont dans la gamme bleue et ultraviolette; les nanofils d'oxyde de zinc et de nitrure de gallium produits par le groupe MIT peuvent potentiellement produire ces couleurs de manière très efficace et à faible coût, elle dit.

Alors que les ampoules LED sont disponibles aujourd'hui, ils sont relativement chers. « Pour les applications quotidiennes, le coût élevé est un obstacle, ", dit Gradečak. Un grand avantage de cette nouvelle approche est qu'elle pourrait permettre l'utilisation de matériaux de substrat beaucoup moins chers - une partie importante du coût de tels dispositifs, qui utilisent aujourd'hui typiquement des substrats en saphir ou en carbure de silicium. Les dispositifs à nanofils ont également le potentiel d'être plus efficaces, elle dit.

De tels nanofils pourraient également trouver des applications dans les capteurs d'énergie solaire pour des panneaux solaires à moindre coût. Pouvoir contrôler la forme et la composition des fils au fur et à mesure de leur croissance pourrait permettre de réaliser des collecteurs très efficaces :Les fils individuels forment des monocristaux sans défaut, réduire l'énergie perdue en raison de défauts dans la structure des cellules solaires conventionnelles. Et en contrôlant les dimensions exactes des nanofils, il est possible de contrôler les longueurs d'onde de la lumière sur lesquelles ils sont « accordés », soit pour produire de la lumière dans une LED, soit pour collecter la lumière dans un panneau solaire.

Des structures complexes constituées de nanofils de diamètres variables pourraient également être utiles dans de nouveaux dispositifs thermoélectriques pour capturer la chaleur résiduelle et la transformer en énergie électrique utile. En faisant varier la composition et le diamètre des fils sur leur longueur, il est possible de produire des fils qui conduisent bien l'électricité mais chauffent mal - une combinaison difficile à réaliser dans la plupart des matériaux, mais est la clé de systèmes de production thermoélectrique efficaces.

Les nanofils peuvent être réalisés à l'aide d'outils déjà utilisés par l'industrie des semi-conducteurs, les appareils doivent donc être relativement faciles à préparer pour la production de masse, dit l'équipe.

Zhong Lin Wang, le professeur Regents et la chaire Hightower en science et ingénierie des matériaux au Georgia Institute of Technology, affirme qu'être capable de contrôler la structure et la composition des nanofils est « d'une importance vitale pour contrôler leurs propriétés à l'échelle nanométrique. Le réglage fin du comportement de croissance » de ces matériaux « ouvre la possibilité de fabriquer de nouveaux dispositifs optoélectroniques susceptibles d'avoir des performances supérieures ».

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.