Los científicos de materiales enseñan a los nanocables cómo 'bailar'

El microscopio electrónico de ultra alto vacío escondido en un laboratorio en un pasillo anodino en la planta baja del IBM Thomas J Watson Research Center (escondido en los bosques del condado de Westchester, Nueva York) contiene muchas pistas que ayudan a los científicos a descubrir la física. que tiene lugar en dimensiones de nanoescala. Comprender cómo se comportan los materiales en tamaños tan pequeños abre la imaginación de la comunidad científica para futuros dispositivos electrónicos nuevos. El microscopio electrónico funciona un poco como una granja, pero en lugar de cultivar su vegetal favorito, los objetos que crecen son nanocables:cristales extremadamente estrechos pero largos hechos de materiales semiconductores, cada uno con sus propias propiedades electrónicas particulares.

El crecimiento comienza con pequeñas "semillas", compuestas por gotitas de metal catalítico, que los científicos esparcen sobre un "campo" plano de silicio. Cuando se suministran los ingredientes adecuados (calor y gases especiales), cada semilla comienza a formar un nanoalambre. Pero a diferencia de una granja real, donde el crecimiento comienza bajo tierra, aquí las gotas de semillas permanecen en las puntas de sus nanocables, asegurándose de que el crecimiento solo ocurra en las puntas. El resultado es un bosque de cristales largos y estrechos que crecen hacia arriba. En un nuevo giro de la experimentación, el equipo ha demostrado que cuando encienden un campo eléctrico, las gotas se pueden tirar hacia los lados o estirarse verticalmente. Este pequeño movimiento de "danza" o "estiramiento" obliga a los cristales en crecimiento a cambiar su dirección en respuesta. El control del campo eléctrico del crecimiento de nanocables es una nueva frontera, que abre las puertas para construir nanoestructuras personalizadas que se pueden integrar en nuevos tipos de dispositivos electrónicos.

Los científicos de IBM, dirigidos por la Dra. Frances Ross, en colaboración con la Universidad de Cambridge, la Universidad de Pensilvania y la Universidad Técnica de Dinamarca, publicaron sus resultados, "Control del crecimiento de nanocables a través de la deformación inducida por el campo eléctrico de la gota de catalizador" en el último número de Nature Communications esta semana (DOI:10.1038 / NCOMMS12271).

Para controlar el elegante proceso mediado por gotas que hace crecer los nanocables, el equipo ya ha probado muchos trucos simples:cambiar la temperatura, la presión, la mezcla de gases y los materiales catalíticos durante el crecimiento. “Lo que queríamos hacer aquí era intentar girar una nueva perilla para ver qué tipo de estructura obtendríamos. La perilla que agregamos es un campo eléctrico que creamos aplicando un voltaje a la muestra durante el crecimiento. Cuando encendimos y apagamos el campo, pudimos ver que cada gota se deformaba y el crecimiento de los nanocables cambiaba para seguirlo ”, dijo Ross, científico de materiales de IBM Research.

Esta es la razón por la que el equipo llevó a cabo sus experimentos de crecimiento en el microscopio:pudieron ver inmediatamente cómo se movían los nanocables al encender el campo eléctrico. El microscopio amplía el nanoalambre en crecimiento 50.000 veces y registra 30 imágenes por segundo, lo que proporciona una gran cantidad de datos para analizar.

“Parecía que valía la pena probar los campos eléctricos porque sabíamos que las gotas de catalizador se comportarían como cualquier otro metal en un campo eléctrico y serían arrastradas en la dirección del campo”, dijo Ross. “Lo que fue especialmente intrigante en estos experimentos fue la forma en que el cambio de posición de la gota afectó la forma en que tuvo lugar el crecimiento en la punta del nanoalambre”.

Un subproducto interesante de la investigación fue poder medir la tensión superficial de la gota de líquido. La tensión superficial es la piel que mantiene las gotas, como las gotas de agua sobre el vidrio, en sus formas esféricas. Un valor exacto de la tensión superficial es un requisito fundamental para desarrollar modelos informáticos para predecir el crecimiento de los nanocables.

“Siempre buscamos la mejor manera de cultivar cristales con propiedades particulares. Sabemos lo que podemos conseguir cambiando la temperatura o la presión:nanocables interesantes y útiles, pero siempre creciendo verticalmente. Con el campo eléctrico, finalmente tenemos una manera de hacer que un cable crezca de lado o en ángulo, de modo que podamos formar una estructura tridimensional ”, agregó Ross.

Aplicaciones para nanocables "danzantes"

Los dispositivos electrónicos modernos utilizan una cartera cada vez mayor de materiales en la búsqueda de mejorar la potencia informática y la capacidad de datos, e implementar nuevas funcionalidades. Los nanocables en ángulo o retorcidos podrían expandir el repertorio de materiales, especialmente si se pueden fabricar de manera confiable. Podrían ser útiles como interconexiones, donde un dispositivo necesita una conexión eléctrica entre diferentes componentes de un circuito. Pueden permitir nuevos tipos de sensores de IoT o usarse como sondas. Por ejemplo, una sonda en forma de V podría insertarse en una célula viva para monitorear las diminutas señales eléctricas de una célula. Otros nanocables con forma de letras “T” o “X” también tienen aplicaciones interesantes. Colocar estas "letras" en un campo magnético y medir el flujo de corriente aplicando voltajes a diferentes patas puede ayudar a probar las teorías fundamentales de la física. Estas teorías son abstrusas, porque gobiernan el comportamiento de excitaciones especiales en materiales semiconductores. Pero quizás también sean prácticamente relevantes:las excitaciones pueden proporcionar los medios para almacenar información en computadoras cuánticas de una manera que evite algunas de las limitaciones de los diseños actuales. Los nanocables cultivados con gotitas danzantes y estiradas pueden ser el primer paso en este camino.

El microscopio electrónico de vacío ultra alto en 360 grados