(Phys.org) — La prochaine percée dans les technologies de batteries hautement efficaces et les cellules solaires pourraient très bien être des cristaux nanoscopiques de silicium assemblés comme des gratte-ciel sur des substrats à l'échelle d'une plaquette. Une voie importante pour la croissance de ces « moustaches » ou nanofils à l'échelle nanométrique implique des gouttelettes de métal allié.

Moneesh Upmanyu, professeur agrégé au Département de génie mécanique et industriel, utilise des outils informatiques pour comprendre les interactions à l'échelle atomique entre ces gouttelettes et la croissance des nanofils.

"La gouttelette est capable d'effectuer plusieurs tâches à plusieurs niveaux, et c'est la beauté de cette technique de croissance, " a déclaré Upmanyu. " Il catalyse puis absorbe les espèces en croissance de la vapeur environnante, devient saturé, et guide finalement la nucléation du nanofil en croissance, un peu comme un jet qui laisse un nanofil cristallin dans son sillage."

La technique a été développée il y a des décennies pour faire pousser des "moustaches" de silicium qui utilisaient une goutte de métal liquéfié pour tromper les particules de silicium vaporisées afin qu'elles se solidifient sous forme de moustaches. La voie synthétique est maintenant largement utilisée pour la croissance de nanofils pour une variété de matériaux technologiquement importants.

"La gouttelette donne finalement un contrôle absolu sur la forme de croissance, pourtant personne ne savait exactement comment il sculpte les nanofils en formes et tailles spécifiques, " a déclaré Hailong Wang, un ancien post-doctorant au sein du groupe Upmanyu et le premier auteur d'un article récemment publié sur cette recherche dans la revue Communication Nature . L'étude a été réalisée en collaboration avec des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory et de la Colorado School of Mines.

"Il n'y avait pas de compréhension à l'échelle atomique, principalement des hypothèses, " a ajouté Upmanyu."Les démasquer est essentiel car cela nous permet de contrôler la forme de croissance et, comme c'est le cas à ces petites échelles, la forme dicte invariablement la fonction.

Les chercheurs ont découvert que la gouttelette ne s'enroule pas uniformément autour du nanofil. Plutôt, il cajole l'extrémité croissante du nanofil à facette en bords inégalement biseautés. "Cette collection d'arêtes tronquées a le même objectif que les spirales d'Archimède qui facilitent la croissance de cristaux à grande échelle, et c'est un élément clé du puzzle pour la croissance à grande échelle de ces cristaux avec une forme prescrite, " dit Upmanyu. Comme la gouttelette recueille les particules vaporisées dans son état liquide, ils commencent à saturer le système et précipitent pour former le fil solide. La précipitation est beaucoup plus rapide sur les bords biseautés, ce qui conduit finalement à une croissance couche par couche du nanofil.

Avec cette nouvelle compréhension, les chercheurs peuvent commencer à développer des structures cristallines très spécifiques, allant des panneaux solaires efficaces à l'éclairage LED, à des prix relativement bon marché. Upmanyu a déjà commencé à collaborer avec d'autres chercheurs de Northeastern, des physiciens aux biologistes, pour "sculpter" des nanofils aux propriétés particulières.

"Une compréhension fondamentale de la croissance des nanocristaux reste un défi, car les processus clés nécessitent un effort interdisciplinaire, " a déclaré Upmanyu. " En plus des outils de calcul et des algorithmes de pointe, il implique des éléments de chimie de croissance, métallurgie des alliages, et la science des surfaces."