Les scientifiques des matériaux s'attendent à ce que les nouvelles propriétés multifonctionnelles des nanostructures hybrides transforment le développement de dispositifs hautes performances, y compris les piles, capteurs à haute sensibilité et cellules solaires. Ces nanostructures auto-assemblées sont généralement générées en déposant des objets ultrapetits avec des propriétés différentes sur les surfaces de minuscules fils semi-conducteurs. Cependant, les facteurs qui régissent leur formation restent insaisissables, rendant ces structures difficiles à contrôler et à concevoir.

Pour combler cette lacune, Bharathi Srinivasan et ses collègues de l'A*STAR Institute of High Performance Computing ont développé une approche informatique qui met en lumière l'auto-assemblage de ces nanostructures sur plusieurs faces, ou polygonale, nanofils. Ils ont d'abord identifié comment différents modèles de nanostructures se développent sur des nanofils en effectuant des calculs d'énergie dans une analyse théorique avant d'analyser ces modèles en effectuant des simulations numériques.

L'équipe de Srinivasan a conçu des modèles bidimensionnels et tridimensionnels (2D et 3D) de nanofils avec un carré, noyau hexagonal ou octogonal entouré de diverses configurations de coque. L'analyse des profils énergétiques de ces configurations a montré que les chercheurs pouvaient contrôler la morphologie de la coquille en modifiant la taille du noyau. L'analyse théorique a également révélé les transitions entre ces différentes configurations, un aperçu précieux du mécanisme d'auto-assemblage.

Pour la simulation numérique, les chercheurs ont construit un modèle de « champ de phase », qui a défini mathématiquement les transitions de phase du matériau de la coque. Cela leur a permis de simuler le processus d'auto-assemblage des nanostructures sur les nanofils après avoir déposé la « graine » sous forme de « points quantiques », qui sont des semi-conducteurs miniatures. Les équations utilisées dans la simulation décrivent à la fois la thermodynamique et la cinétique d'auto-assemblage, Remarques de Srinivasan.

Les simulations 2D et 3D ont montré que les coquilles déposées ont subi des transformations morphologiques qui reflétaient les calculs d'énergie. Au stade du dépôt initial - la gamme de taille la plus basse - les coquilles étaient constituées de cylindres parfaits dans le modèle 2D, et ils formaient des anneaux ultra-petits, ou 'nanorings', empilés selon la direction verticale du nanofil, dans le modèle 3D.

Au fur et à mesure que le noyau s'étendait, les modèles 2D indiquaient que les coques pouvaient se briser en fils plus petits. Pour les noyaux de taille intermédiaire, chaque fil était assis sur les côtés du noyau. Pour les noyaux les plus gros, ils se sont assis dans les coins. Dans les simulations 3D, les nanoanneaux se sont divisés en points quantiques qui se sont matérialisés en colonnes sur les facettes des nanofils et ont migré vers les crêtes lors de leur croissance (voir image). Les simulations de traitement thermique ont donné les mêmes configurations que celles en croissance.

"Nos travaux futurs [seront] comprendre la croissance de différentes nanostructures hybrides, y compris les points quantiques sur les coquillages, nanoanneaux et autres points quantiques, " dit Srinivasan.