A la source de rayons X PETRA III de DESY, les scientifiques ont suivi en direct la croissance de minuscules fils d'arséniure de gallium. Leurs observations révèlent des détails exacts du processus de croissance responsable de l'évolution de la forme et de la structure cristalline des nanofils cristallins. Les résultats fournissent également de nouvelles approches pour adapter les nanofils avec les propriétés souhaitées pour des applications spécifiques. Les scientifiques, dirigé par Philipp Schroth de l'Université de Siegen et du Karlsruhe Institute of Technology (KIT), ont publié leurs découvertes dans la revue Lettres nano . L'arséniure de gallium semi-conducteur (GaAs) est largement utilisé dans les télécommandes infrarouges, les composants haute fréquence des téléphones mobiles et pour la conversion de signaux électriques en lumière pour la transmission par fibre optique, ainsi que dans les panneaux solaires pour le déploiement dans les engins spatiaux.

Pour fabriquer les fils, les scientifiques ont utilisé une procédure connue sous le nom de méthode vapeur-liquide-solide auto-catalysée (VLS), dans lequel de minuscules gouttelettes de gallium liquide sont d'abord déposées sur un cristal de silicium à une température d'environ 600 degrés Celsius. Des faisceaux d'atomes de gallium et de molécules d'arsenic sont alors dirigés vers la plaquette, où ils sont adsorbés et se dissolvent dans les gouttelettes de gallium. Après quelque temps, les nanofils cristallins commencent à se former sous les gouttelettes, grâce à quoi les gouttelettes sont progressivement poussées vers le haut. Dans ce processus, les gouttelettes de gallium agissent comme catalyseurs pour la croissance longitudinale des fils. « Bien que ce processus soit déjà bien établi, il n'a pas été possible jusqu'à présent de contrôler spécifiquement la structure cristalline des nanofils qu'il produit. Pour y parvenir, nous devons d'abord comprendre les détails de la croissance des fils, " déclare le co-auteur Ludwig Feigl de KIT.

Pour observer la croissance au fur et à mesure qu'elle a lieu, Le groupe de Schroth a installé une chambre expérimentale mobile, spécialement développé par KIT pour les expériences de rayons X dans la source de rayonnement synchrotron de DESY PETRA III à la station expérimentale P09. A intervalles d'une minute, les scientifiques ont pris des images aux rayons X, qui a révélé à la fois la structure interne et le diamètre des nanofils en croissance. En outre, ils ont mesuré les nanofils entièrement développés à l'aide du microscope électronique à balayage du DESY NanoLab. "Pour assurer le succès de mesures aussi complexes, une longue période de caractérisation et d'optimisation de la croissance au laboratoire d'analyse UHV du KIT était une condition préalable, ", déclare le co-auteur Seyed Mohammad Mostafavi Kashani de l'Université de Siegen.

Sur une période d'environ quatre heures, les fils ont atteint une longueur d'environ 4000 nanomètres. Un nanomètre (nm) correspond à un millionième de millimètre. Cependant, non seulement les fils sont devenus plus longs pendant ce temps, mais aussi plus épais - leur diamètre est passé de 20 nm initial à 140 nm au sommet du fil, ce qui les rend environ 500 fois plus fins qu'un cheveu humain.

"Une caractéristique plutôt intéressante est que les images prises au microscope électronique montrent que les nanofils ont une forme légèrement différente, " explique le co-auteur Thomas Keller de DESY NanoLab. Bien que les fils soient plus épais en haut qu'en bas, comme indiqué par les données radiographiques, le diamètre mesuré au microscope électronique était plus grand dans la région inférieure du fil que ce qui a été observé en utilisant les rayons X.

"Nous avons constaté que la croissance des nanofils n'est pas seulement due au mécanisme VLS mais qu'un deuxième composant y contribue également, que nous avons pu observer et quantifier pour la première fois dans cette expérience. Cette croissance supplémentaire des flancs permet aux fils de gagner en largeur, " dit Schroth. Indépendamment de la croissance de VLS, le matériau déposé en phase vapeur se fixe également directement sur les parois latérales, en particulier dans la région inférieure du nanofil. Cette contribution supplémentaire peut être déterminée en comparant les mesures radiographiques réalisées en amont de la croissance du fil, avec la mesure au microscope électronique après la fin de la croissance.

Par ailleurs, les gouttelettes de gallium deviennent constamment plus grosses à mesure que du gallium est ajouté au cours du processus de croissance. En utilisant des modèles de croissance, les scientifiques ont pu en déduire la forme des gouttelettes, qui avait également été affectée par l'augmentation de la taille des gouttelettes. L'effet de ceci est d'une grande portée :« Au fur et à mesure que la gouttelette change de taille, l'angle de contact entre la gouttelette et la surface des fils change également. Dans certaines circonstances, le fil continue alors soudainement à croître avec une structure cristalline différente, " dit Feigl. Alors que les nanofils fins cristallisent initialement dans un hexagone, structure dite wurtzite, ce comportement change après un certain temps et les fils adoptent une structure de mélange de zinc cubique au fur et à mesure de leur croissance. Ce changement est important en ce qui concerne les applications, puisque la structure et la forme des nanofils ont des conséquences importantes sur les propriétés du matériau résultant.

Ces résultats détaillés conduisent non seulement à une meilleure compréhension du processus de croissance; ils fournissent également des approches pour personnaliser les futurs nanofils afin qu'ils aient des propriétés spéciales pour des applications spécifiques - par exemple pour améliorer l'efficacité d'une cellule solaire ou d'un laser.