Représentation schématique de nanofils InGaAs/InAs séparés par phase cultivés sur du graphène et de nanofils InGaAs monophasés cultivés sur un substrat différent. Crédit :Parsian Mohseni
(Phys.org) — Lorsqu'une équipe d'ingénieurs de l'Université de l'Illinois a entrepris de faire croître des nanofils d'un semi-conducteur composé sur une feuille de graphène, ils ne s'attendaient pas à découvrir un nouveau paradigme d'épitaxie.
Les fils auto-assemblés ont une âme d'une composition et une couche externe d'une autre, un trait souhaité pour de nombreuses applications électroniques avancées. Dirigé par le professeur Xiuling Li, en collaboration avec les professeurs Eric Pop et Joseph Lyding, tous les professeurs de génie électrique et informatique, l'équipe a publié ses conclusions dans la revue Lettres nano .
Nanofils, de minuscules cordes de matériau semi-conducteur, ont un grand potentiel pour des applications dans les transistors, cellules solaires, laser, capteurs et plus.
« Les nanofils sont vraiment les principaux éléments constitutifs des futurs nano-dispositifs, " a déclaré le chercheur postdoctoral Parsian Mohseni, premier auteur de l'étude. "Les nanofils sont des composants qui peuvent être utilisés, en fonction du matériau à partir duquel vous les faites pousser, pour toute application d'électronique fonctionnelle."
Le groupe de Li utilise une méthode appelée épitaxie van der Waals pour faire croître des nanofils de bas en haut sur un substrat plat de matériaux semi-conducteurs, comme le silicium. Les nanofils sont constitués d'une classe de matériaux appelés III-V (trois-cinq), semi-conducteurs composés qui sont particulièrement prometteurs pour des applications impliquant la lumière, comme les cellules solaires ou les lasers.
Une image au microscope en fausses couleurs d'un seul nanofil, montrant le noyau InAs et la coque InGaAs. Crédit :Parsian Mohseni
Le groupe avait précédemment signalé la croissance de nanofils III-V sur du silicium. Alors que le silicium est le matériau le plus largement utilisé dans les appareils, il présente un certain nombre de lacunes. Maintenant, le groupe a fait croître des nanofils du matériau arséniure d'indium et de gallium (InGaAs) sur une feuille de graphène, une feuille de carbone d'une épaisseur d'un atome aux propriétés physiques et conductrices exceptionnelles.
Grâce à sa finesse, le graphène est flexible, tandis que le silicium est rigide et cassant. Il conduit aussi comme un métal, permettant un contact électrique direct avec les nanofils. Par ailleurs, c'est pas cher, écaillé à partir d'un bloc de graphite ou développé à partir de gaz carbonique.
"L'une des raisons pour lesquelles nous voulons cultiver sur le graphène est de rester à l'écart des substrats épais et coûteux, " Mohseni a déclaré. "Environ 80 pour cent du coût de fabrication d'une cellule solaire conventionnelle provient du substrat lui-même. Nous avons éliminé cela en utilisant simplement du graphène. Non seulement il y a des avantages de coûts inhérents, nous introduisons également des fonctionnalités qu'un substrat typique n'a pas."
Les chercheurs pompent des gaz contenant du gallium, l'indium et l'arsenic dans une chambre avec une feuille de graphène. Les nanofils s'auto-assemblent, se développant d'eux-mêmes dans un tapis dense de fils verticaux à travers la surface du graphène. D'autres groupes ont développé des nanofils sur du graphène avec des semi-conducteurs composés qui n'ont que deux éléments, mais en utilisant trois éléments, le groupe de l'Illinois a fait une découverte unique :les fils d'InGaAs cultivés sur du graphène se séparent spontanément en un noyau d'arséniure d'indium (InAs) avec une enveloppe d'InGaAs autour de l'extérieur du fil.
"C'est inattendu, " a déclaré Li. "Beaucoup d'appareils nécessitent une architecture core-shell. Normalement, vous faites pousser le noyau dans une condition de croissance et changez les conditions pour faire pousser la coquille à l'extérieur. C'est spontané, fait en une seule étape. L'autre bonne chose, c'est que comme il s'agit d'une ségrégation spontanée, il produit une interface parfaite."
Alors, qu'est-ce qui cause cette structure spontanée cœur-coquille ? Par coïncidence, la distance entre les atomes dans un cristal d'InAs est presque la même que la distance entre des nombres entiers d'atomes de carbone dans une feuille de graphène. Donc, lorsque les gaz sont acheminés dans la chambre et que le matériau commence à cristalliser, InAs s'installe sur le graphène, un ajustement presque parfait, tandis que le composé de gallium se dépose à l'extérieur des fils. C'était inattendu, car normalement, avec épitaxie van der Waals, les structures cristallines respectives du matériau et du substrat ne sont pas censées avoir d'importance.
"On ne s'y attendait pas, mais une fois que nous l'avons vu, ça avait du sens, " a déclaré Mohséni.
En outre, en ajustant le rapport gallium/indium dans le cocktail semi-conducteur, les chercheurs peuvent régler les propriétés optiques et conductrices des nanofils.
Prochain, Le groupe de Li prévoit de fabriquer des cellules solaires et d'autres dispositifs optoélectroniques avec leurs nanofils cultivés en graphène. Grâce à la fois à la composition ternaire des fils et à la flexibilité et à la conductivité du graphène, Li espère intégrer les fils dans un large éventail d'applications.
"Nous avons essentiellement découvert un nouveau phénomène qui confirme que le registre compte dans l'épitaxie de van der Waals, " dit Li.
