Les nanofils promettent de rendre les LED plus colorées et les cellules solaires plus efficaces, en plus d'accélérer les ordinateurs. C'est-à-dire, à condition que les minuscules semi-conducteurs convertissent l'énergie électrique en lumière, et vice versa, aux bonnes longueurs d'onde. Une équipe de recherche du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) allemand a réussi à produire des nanofils avec des longueurs d'onde de fonctionnement qui peuvent être librement sélectionnées sur une large plage, simplement en modifiant la structure de la coque. Les nanofils affinés pourraient jouer plusieurs rôles dans un composant optoélectronique. Cela rendrait les composants plus puissants, plus rentable, et plus facile à intégrer, comme l'équipe rapporte dans Communication Nature .

Les nanofils sont extrêmement polyvalents. Les minuscules éléments peuvent être utilisés pour des composants photoniques et électroniques miniaturisés en nanotechnologie. Les applications incluent les circuits optiques sur puces, nouveaux capteurs, LED, cellules solaires et technologies quantiques innovantes. Ce sont les nanofils autonomes qui assurent la compatibilité des technologies semi-conductrices les plus récentes avec les technologies conventionnelles à base de silicium. Étant donné que le contact avec le substrat de silicium est minuscule, ils surmontent les difficultés typiques de la combinaison de différents matériaux.

Pour leur étude, qui a duré plusieurs années, les chercheurs de Dresde ont commencé par cultiver des nanofils à partir du matériau semi-conducteur arséniure de gallium sur des substrats de silicium. L'étape suivante consistait à enfermer les fils ultra-fins dans une autre couche de matériau à laquelle ils ont ajouté de l'indium comme élément supplémentaire. Leur objectif :la structure cristalline dépareillée des matériaux était destinée à induire une contrainte mécanique dans l'âme du fil, qui modifie les propriétés électroniques de l'arséniure de gallium. Par exemple, la bande interdite des semi-conducteurs devient plus petite et les électrons deviennent plus mobiles. Pour amplifier cet effet, les scientifiques ont continué à ajouter plus d'indium à la coquille, ou augmenté l'épaisseur de la coque. Le résultat est allé bien au-delà des attentes.

Prendre un effet connu à l'extrême

"Ce que nous avons fait, c'est pousser un effet connu à l'extrême, " a expliqué Emmanouil Dimakis, chef de file de l'étude qui a impliqué des chercheurs du HZDR, TU Dresden et DESY à Hambourg. « Les 7 % de tension obtenus étaient énormes. »

A ce niveau de tension, Dimakis s'était attendu à voir des désordres se produire dans les semi-conducteurs :dans leur expérience, les courbures ou défauts de l'âme du fil surviennent. Les chercheurs pensent que les conditions expérimentales particulières étaient la raison de l'absence de tels troubles :ils ont fait pousser des fils d'arséniure de gallium extrêmement fins, environ cinq mille fois plus fins qu'un cheveu humain. Seconde, l'équipe a réussi à produire la coque en fil métallique à des températures inhabituellement basses. La diffusion superficielle des atomes est alors plus ou moins figée, forçant la coquille à se développer uniformément autour du noyau. L'équipe de chercheurs a renforcé sa découverte en effectuant plusieurs séries de mesures indépendantes dans des installations de Dresde, ainsi qu'aux sources lumineuses à rayons X à haute brillance PETRA III à Hambourg et Diamond en Angleterre.

Les résultats extraordinaires ont conduit les chercheurs à entreprendre d'autres investigations :« Nous nous sommes concentrés sur la question de savoir ce qui déclenche la contrainte extrêmement élevée dans le noyau du nanofil, et comment cela peut être utilisé pour certaines applications, " se souvint Dimakis. " Les scientifiques connaissent l'arséniure de gallium comme matériau depuis des années, mais les nanofils sont spéciaux. Un matériau peut présenter des propriétés complètement nouvelles à l'échelle nanométrique."

Applications potentielles pour les réseaux de fibre optique

Les chercheurs ont réalisé que la contrainte élevée leur permettait de déplacer la bande interdite du semi-conducteur à l'arséniure de gallium vers de très basses énergies, le rendant compatible même pour les longueurs d'onde des réseaux à fibres optiques. Un jalon technologique. Après tout, cette gamme spectrale ne pouvait auparavant être atteinte que via des alliages spéciaux contenant de l'indium, ce qui a causé un certain nombre de problèmes technologiques en raison du mélange de matériaux.

Des méthodes de haute précision sont nécessaires pour produire des nanofils. Il y a quatre ans, un système spécial a été installé au HZDR à cet effet :le laboratoire d'épitaxie par jets moléculaires. La croissance auto-catalysée de nanofils à partir de faisceaux d'atomes ou de molécules est réalisée en laboratoire; les faisceaux sont dirigés sur des substrats de silicium sous ultravide. Emmanouil Dimakis a joué un rôle majeur dans la mise en place du laboratoire. La plupart des études rapportées dans la présente publication ont été réalisées par Leila Balaghi dans le cadre de son doctorat.