Crédit :Université du Nebraska-Lincoln
Pendant des années, les chercheurs ont essayé de trouver des moyens de développer un nanofil optimal, en utilisant des cristaux avec des couches parfaitement alignées tout le long du fil.
Une équipe de chercheurs du Nebraska Engineering—Peter Sutter, Eli Sutter et Shawn Wimer voient un avantage à l'imperfection naturelle.
A travers leurs recherches, souligné dans une lettre publiée dans l'édition du 22 avril de la revue La nature , le groupe a découvert qu'un défaut - une dislocation de vis - qui se produit dans le processus de croissance provoque la rotation des couches de cristaux le long d'un axe au fur et à mesure qu'elles se forment. Ce défaut crée des torsions qui donnent à ces nanofils des avantages, notamment en électronique et en émission lumineuse.
"Dans les nanofils en couches, nous avons essentiellement une nouvelle architecture qui met en œuvre une torsion de cristal entre des matériaux bidimensionnels, " dit Peter Sutter, professeur de génie électrique et informatique. "Nous partons du principe que vous pouvez (soit) fabriquer de telles structures moirées torsadées ou les faire fabriquer elles-mêmes, et quand nous laissons les fils faire le travail tout seuls, la nature introduit ce défaut, une torsion."
Typiquement, les matériaux avec des interfaces torsadées sont créés artificiellement à partir de deux cristaux 2D atomiquement minces. Lorsque ces cristaux sont soigneusement placés les uns sur les autres, une petite rotation entre eux - une torsion intercalaire - provoque un moiré, ou un modèle de battement qui change avec l'angle de torsion et est beaucoup plus grand que l'espacement des atomes dans le matériau. Le mouvement des électrons dans ce modèle de battement peut provoquer de nouveaux phénomènes, comme la supraconductivité ou les changements systématiques de la couleur de la lumière émise.
L'équipe de Sutters a adopté une approche différente pour réaliser ces torsions en faisant croître des nanofils constitués de couches 2D. Ils ont pris de petites particules d'or, les chauffe et les inonde d'une vapeur de sulfure de germanium. A hautes températures, les particules d'or ont fondu et se sont alliées au sulfure de germanium.
« À un moment donné, il se sature et ne peut plus en absorber. Ensuite, il a le choix :ne plus en absorber et laisser pousser un film dessus en surface, ou continuer à essayer d'absorber plus, " dit Eli Sutter, professeur de génie électrique et informatique. "Il s'avère que ces particules sont avides de sulfure de germanium."
Les particules d'or ont continué à absorber la vapeur mais sont devenues trop saturées pour tout contenir et ont commencé à faire croître des cristaux stratifiés de sulfure de germanium, un par particule d'or. Lorsque le sulfure de germanium a été expulsé, les cristaux se sont allongés et transformés en nanofils d'environ 1, 000 fois plus fin qu'un cheveu humain.
L'équipe a découvert que chacun de ces fils présentait une luxation vissée, qui a produit une structure hélicoïdale et la torsion entre leurs couches cristallines.
Pour explorer les propriétés de leurs nanofils torsadés en hélice, l'équipe a utilisé un faisceau focalisé d'électrons pour stimuler l'émission de lumière à partir de portions infimes de leurs nanofils. Lorsque les électrons excités se détendent, ils émettent une lumière d'une couleur ou d'une fréquence caractéristique, que les chercheurs ont enregistré.
Une animation montrant le motif de moiré de torsion qui émerge lors de l'empilement des cristaux les uns sur les autres et de l'introduction d'une petite rotation. Crédit :Université du Nebraska-Lincoln
En permettant un empilement imparfait de couches torsadées, les nanofils de sulfure de germanium émettent différentes couleurs de lumière à différents points le long du fil. Cela permet d'accorder la bande interdite et de contrôler l'énergie de la lumière absorbée ou émise.
"Nous avons pu montrer qu'il y a du nouveau, propriétés d'émission de lumière accessibles qui changent le long du fil parce que le registre de moiré change, ", a déclaré Eli Sutter.
Nanofils torsadés de sulfure de germanium, un semi-conducteur, pourraient avoir des applications qui incluent la récupération d'énergie, sources lumineuses accordables, ou informatique de nouvelle génération.
Les chercheurs, cependant, a déclaré que leur prochaine étape consiste à comprendre pourquoi la couleur de la lumière émise change le long du fil et peut-être à obtenir des résultats similaires avec d'autres matériaux.
"Nous devons mieux comprendre les conséquences de la structure de torsion hélicoïdale. Nous nous attendons à ce que les nanofils torsadés nous réservent encore bien d'autres surprises, ", a déclaré Peter Sutter.
Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par la National Science Foundation sous le numéro de subvention DMR-1607795. Des avis, résultats, et les conclusions ou recommandations exprimées dans ce document sont celles des auteurs et ne reflètent pas nécessairement les vues de la National Science Foundation.
