Une équipe de recherche de l'université d'Ehime a ouvert la voie à la réalisation de nanostructures semi-conductrices III-V inexplorées. Ils ont fait pousser des nanofils de GaAs ramifiés avec un élément Bi non toxique utilisant des modifications structurelles caractéristiques corrélées avec des gouttelettes métalliques, ainsi que les défauts et orientations cristallins. La découverte fournit un concept de conception rationnel pour la création de nanostructures semi-conductrices avec une concentration de constituants au-delà de la limite fondamentale, le rendant potentiellement applicable à de nouveaux dispositifs efficaces dans le proche infrarouge et à l'électronique quantique.

Le nanofil est une structure en tige dont le diamètre est généralement inférieur à plusieurs centaines de nanomètres. En raison de sa taille et de sa structure, il présente des propriétés caractéristiques que l'on ne trouve pas dans les matériaux en vrac plus gros. L'étude des nanofils semi-conducteurs III-V a suscité beaucoup d'intérêt ces dernières décennies en raison de leur application potentielle à l'échelle nanométrique, photonique, électronique, et conversion d'énergie, et dans les dispositifs biologiques, en raison de leur nature unidimensionnelle et de leur rapport surface/volume élevé. L'introduction d'une hétérostructure épitaxiale facilite le contrôle du transport et des propriétés électroniques de tels dispositifs, montrant le potentiel de réalisation de systèmes intégrés basés sur des composés III-V et Si avec des fonctions électroniques et optiques supérieures.

Les semi-conducteurs composés III-V sont parmi les plus élevés en termes de mobilité et d'efficacité de conversion photon-électron. Parmi eux, GaAs est un semi-conducteur composé III-V représentatif, qui est utilisé pour les transistors à grande vitesse, ainsi que des diodes électroluminescentes proche infrarouge à haut rendement, laser, et des cellules solaires. Les dispositifs optiques à base de GaAs III-V souffrent de pertes intrinsèques liées à la génération de chaleur. Pour contourner cela, l'utilisation d'un alliage de bisamide dilué GaAsBi avec un élément Bi non toxique a récemment attiré l'attention car l'introduction de Bi supprime la génération de chaleur tout en augmentant l'efficacité de conversion électron-lumière. Par conséquent, L'incorporation d'un alliage de bisamide GaAsBi dilué dans des nanofils est une approche rationnelle pour le développement de nanodispositifs optoélectroniques à hautes performances. Pendant ce temps, les nanofils ramifiés ou arborescents offrent une approche pour augmenter la complexité structurelle et améliorer les fonctions résultantes qui à leur tour permettent la réalisation de structures de dimensionnalité plus élevée, connectivité latérale, et l'interconnexion entre les nanofils.

En utilisant une technique de croissance cristalline à précision atomique appelée épitaxie par faisceau moléculaire, le groupe de l'université d'Ehime a contrôlé la formation de nanostructures induites par Bi dans la croissance de nanofils ramifiés cœur-coquille GaAs/GaAsBi. Ainsi, ils ont ouvert la voie à la réalisation de nanostructures semi-conductrices III-V inexplorées utilisant la sursaturation caractéristique des gouttelettes de catalyseur, modifications structurelles induites par la déformation, et l'incorporation dans la matrice GaAs hôte en corrélation avec les défauts et les orientations cristallins.

L'article scientifique qui présente leurs résultats a été publié le 17 septembre dans la revue Lettres nano .

Le groupe avait précédemment obtenu des nanofils à hétérostructure GaAs/GaAsBi sur Si avec une concentration de Bi inférieure de 2 % à celle du rapport précédent. Les nanofils présentaient des caractéristiques structurelles spécifiques, ayant une surface rugueuse avec des ondulations, qui ont probablement été induites par le grand décalage de réseau et l'accumulation de contrainte résultante entre l'alliage GaAs et GaAsBi. Aussi, Bi agit comme un tensioactif en contrôlant l'énergie de surface, provoquant ainsi la synthèse de nanostructures. Cependant, l'impact de l'introduction de Bi sur la croissance de l'alliage GaAsBi est loin d'être complètement compris. Dans le rapport, ils étudient les caractéristiques et les mécanismes de croissance des NW multicouches cœur-coquille GaAs/GaAsBi sur des substrats de Si (111), en se concentrant sur la déformation structurelle induite par Bi. Pour synthétiser des nanofils III-V ramifiés, conventionnellement, nanoparticules métalliques de catalyseur, le plus souvent Au, sont utilisés comme graines de nucléation pour la croissance des branches. D'autre part, le groupe a utilisé des gouttelettes auto-catalyseurs Ga et Bi qui peuvent supprimer l'introduction d'impuretés d'éléments non constitutifs. Lorsque Ga est déficient pendant la croissance, Bi s'accumule sur le sommet des nanofils de GaAs centraux et sert de catalyseur de croissance de nanofils pour les structures ramifiées à un azimut cristallin spécifique. Il existe une forte corrélation entre l'accumulation de Bi et les failles d'empilement. Par ailleurs, Bi est préférentiellement incorporé sur une orientation de surface GaAs restreinte, conduisant à une incorporation spatialement sélective de Bi dans une zone confinée qui a une concentration de Bi de 7 pour cent au-dessus de la limite fondamentale. L'hétérostructure GaAs/GaAsBi/GaAs obtenue avec l'interface définie par les défauts jumeaux cristallins d'une couche atomique, qui peut être potentiellement appliqué à une structure confinée quantique.

La découverte fournit un concept de conception rationnel pour la création de nanostructures à base de GaAsBi et le contrôle de l'incorporation de Bi au-delà de la limite fondamentale. Ces résultats indiquent le potentiel d'une nouvelle nanostructure semi-conductrice pour des dispositifs efficaces dans le proche infrarouge et l'électronique quantique.