Les chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode de croissance de cristaux « hybrides » à l'échelle nanométrique, dans lequel des points quantiques - essentiellement des semi-conducteurs à l'échelle nanométrique - de différents matériaux peuvent être séquentiellement incorporés dans un nanofil hôte avec des jonctions parfaites entre les composants.

Une nouvelle approche pour auto-assembler et personnaliser des structures complexes à l'échelle nanométrique, développé par une collaboration internationale menée par l'Université de Cambridge et IBM, ouvre des opportunités d'adapter les propriétés et les fonctionnalités des matériaux pour un large éventail d'applications de dispositifs à semi-conducteurs.

Les chercheurs ont développé une méthode pour cultiver des combinaisons de différents matériaux dans un cristal en forme d'aiguille appelé nanofil. Les nanofils sont de petites structures, seulement quelques milliardièmes de mètre de diamètre. Les semi-conducteurs peuvent être transformés en nanofils, et le résultat est un bloc de construction utile pour l'électricité, optique, et des dispositifs de récupération d'énergie. Les chercheurs ont découvert comment faire croître des cristaux plus petits dans le nanofil, formant une structure comme une tige de cristal avec un réseau intégré de pierres précieuses. Les détails de la nouvelle méthode sont publiés dans la revue Matériaux naturels .

"La clé pour construire des dispositifs nanométriques fonctionnels est de contrôler les matériaux et leurs interfaces au niveau atomique, " a déclaré le Dr Stephan Hofmann du Département d'ingénierie, l'un des auteurs principaux de l'article. "Nous avons développé une méthode d'ingénierie des inclusions de différents matériaux afin de pouvoir créer des structures complexes de manière très précise."

Les nanofils sont souvent développés par un processus appelé synthèse Vapeur-Liquide-Solide (VLS), où une minuscule gouttelette catalytique est utilisée pour ensemencer et alimenter le nanofil, de sorte qu'il s'auto-assemble une couche atomique à la fois. VLS permet un haut degré de contrôle sur le nanofil obtenu :composition, diamètre, sens de croissance, ramification, le vrillage et la structure cristalline peuvent être contrôlés en ajustant les conditions d'auto-assemblage. À mesure que les nanofils deviennent mieux contrôlés, de nouvelles applications deviennent possibles.

La technique développée par Hofmann et ses collègues de Cambridge et d'IBM peut être considérée comme une extension du concept qui sous-tend la croissance VLS conventionnelle. Les chercheurs utilisent la gouttelette catalytique non seulement pour faire croître le nanofil, mais aussi pour former de nouveaux matériaux en son sein. Ces minuscules cristaux se forment dans le liquide, mais s'attache plus tard au nanofil, puis s'incruste au fur et à mesure que le nanofil grandit. Ce processus d'amarrage médié par un catalyseur peut « s'auto-optimiser » pour créer des interfaces très parfaites pour les cristaux intégrés.

Pour démêler les complexités de ce processus, l'équipe de recherche a utilisé deux microscopes électroniques personnalisés, un au TJ Watson Research Center d'IBM et un second au Brookhaven National Laboratory. Cela leur a permis d'enregistrer des films à grande vitesse de la croissance des nanofils au fur et à mesure qu'elle se produit atome par atome. Les chercheurs ont découvert qu'en utilisant le catalyseur comme « bol de mélange », avec l'ordre et la quantité de chaque ingrédient programmé dans une recette désirée, ont abouti à des structures complexes constituées de nanofils avec des cristaux nanométriques intégrés, ou des points quantiques, de taille et de position contrôlées.

"La technique permet d'incorporer deux matériaux différents dans un même nanofil, même si les structures réticulaires des deux cristaux ne correspondent pas parfaitement, " a déclaré Hofmann. "C'est une plate-forme flexible qui peut être utilisée pour différentes technologies."

Les applications possibles de cette technique vont des interconnexions enterrées atomiquement parfaites aux transistors à un électron, mémoires haute densité, émission lumineuse, lasers à semi-conducteurs, et diodes tunnel, ainsi que la capacité de concevoir des structures de dispositifs tridimensionnelles.

"Ce processus nous a permis de comprendre le comportement des matériaux à l'échelle nanométrique avec un niveau de détail sans précédent, et que les connaissances peuvent désormais être appliquées à d'autres processus, " dit Hofmann.