Нитевидный нанокристалл
Нитевидный нанокристалл (ННК), часто называемый также нановискер (от англ. nanowhisker) или нанонить, нанопроволока (от англ. nanowires), а также наностержень (англ. nanorod) — это одномерный наноматериал, длина которого значительно превосходит остальные измерения, которые, в свою очередь, не превышают нескольких десятков нанометров.
Существуют различные виды ННК, среди которых металлические (например
Терминология
Формально говоря, существует некоторая разница между понятиями нановискеров и, например, нанопроволоки, так как в первом случае, обычно, имеются в виду относительно короткие кристаллические структуры с длиной в несколько микрометров, а в последнем подразумеваются чрезвычайно длинные наноструктуры, буквально напоминающие проволоку. В русскоязычной научной литературе, как правило, используется термин нитевидные нанокристаллы (ННК) или нановискеры[1]. Словарь нанотехнологических терминов даёт различные описания понятиям нанонить и нановискер. Стоит отметить, что понятие наностержень существенно отличается от других понятий, т. к. подразумевает, что длина объекта превосходит его диаметр всего в несколько раз, а в научной литературе под наностержнем также часто подразумевается ННК диаметром, превышающим 100—200 нм. Иными словами, под наностержнем подразумевают нанообъекты, буквально напоминающие короткий стержень, под нанонитями — напоминающие длинные нити, а под нановискерами — скорее, нечто среднее. Как бы то ни было, повсеместно можно встретить крайне неоднозначное использование всех этих терминов, под которыми могут подразумеваться как короткие, так и длинные одномерные наноструктуры. Таким образом, термины ННК и одномерная наноструктура являются в некотором роде наиболее общими. Все эти термины не следует путать с понятием нанотрубки.
Получение ННК
Существует несколько принципиально различных механизмов получения одномерных наноструктур, которые можно поделить на методы для получения свободных структур (например механизм роста «пар-жидкость-кристалл») и использующие методы планарной технологии, а также некоторые другие.
Механизм роста «пар — жидкость — кристалл»
Наиболее распространённым механизмом роста полупроводниковых ННК является механизм «пар — жидкость — кристалл»[1], который был продемонстрирован ещё в 1964 году[2]. В данном методе осуществляется эпитаксиальный рост ННК методами химического осаждения из газовой фазы или молекулярно-пучковой эпитаксии.
Для этого на поверхность подложки сначала осаждается тонкая плёнка золота, играющего роль катализатора, после чего в камере повышается температура, и золото образует массив капель. Далее подаются компоненты для роста полупроводникового материала, например элементы In и P для роста InP ННК. Эффект активации частицами катализатора заключается в том, что рост на поверхности под каплей происходит во много раз быстрее, чем на неактивированной поверхности, таким образом, капля катализатора поднимается над поверхностью, наращивая под собой нитевидный кристалл.
Методы планарной технологии
Иногда, для создания одномерных нанообъектов, которые также называют ННК или нанонитями, используют методы планарной технологии. Например, на поверхности, методами
Спонтанный рост
Самый простой метод для получения ННК оксида металла это обычный нагрев металлов на воздухе[6] может быть легко сделать в домашних условиях. Механизмы роста известны с 1950-х годов[7]. Спонтанное образование ННК происходит с помощью дефектов кристаллической решётки: дислокаций, присутствующих в определённых направлениях[8] или анизотропии роста различных граней кристалла. После продвижения в микроскопии, продемонстрирован рост ННК при помощи винтовых дислокаций[9][10] или границ двойников [11].
Прочие методы
Кроме вышеизложенных методов, существуют также и такие методы получения ННК, как механизм "пар-кристалл-кристалл", рост кристаллов без использование внешнего катализатора (самокатализированный рост)[12], селективная эпитаксия и некоторые другие методики[1].
Гетероструктуры на ННК
ННК могут быть выращены как из одного материала, так и состоять из двух и более слоёв различных материалов, выращенных один на другом (например InAs/InP)[13]. В этом случае говорят о гетероструктуре на основе ННК. Для получения гетероструктур на основе ННК, в процессе эпитаксиального роста кристалла, в определённый момент прекращается подача элементов одного вещества, и начинается подача другого, так что слои нового материала формируются в матрице предыдущего.
Различают два основных типа гетероструктур на основе ННК: осевые, когда тонкие слои различных материалов располагаются поперек оси роста кристалла, и радиальные, когда один материал окружает другой
Основные свойства ННК
ННК и гетероструктуры на их основе имеют целый ряд уникальных свойств, отличающих их от других нанообъектов и макроразмерных кристаллов. Ниже рассмотрены наиболее известные из них.
Кристаллическая структура полупроводниковых ННК
Большинство полупроводниковых III-V кристаллов (например,
Анизотропия поляризации излучения
Благодаря своей одномерной форме и особенностям кристаллической структуры ННК имеют нетривиальную анизотропию
Релаксация упругих напряжений
В процессе
Потенциальные применения
ННК является относительно новым материалом, и на 2014 год не имеет промышленного применения. Как бы то ни было, было продемонстрировано множество потенциальных применений ННК в различных областях электроники и медицины. В частности, были предприняты многочисленные попытки продемонстрировать различные возможности использования ННК в области
См. также
Примечания
- ↑ 1 2 3 4 5 6 В. Г. Дубровский, Г. Э. Цырлин, В. М. Устинов. Полупроводниковые нитевидные нанокристаллы: синтез, свойства, применения // Физика и техника полупроводников, Год 2009 — Т. 43 — С. 1585. Архивная копия от 3 сентября 2014 на Wayback Machine.
- ↑ Wagner R. S., Ellis, W. C. Vapor-liquid-solid mechanism of single crystal growth // Applied Physics Letters. Год 1964 — Т. 4 — С. 89.
- ↑ R. Adelung, O. C. Aktas, J. Franc, A. Biswas, R. Kunz, M. Elbahri, J. Kanzow, U. Schurmann, and F. Faupel Strain-controlled growth of nanowires within thin-film cracks // Nature Materials. Год 2004 — Т. 3 — С. 375
- ↑ A. Gustafsson, F. Reinhardt, G. Biasiol, and E. Kapon Low pressure organometallic chemical vapor deposition of quantum wires on V-grooved substrates // Applied Physics Letters. Год 1995 — Т. 67 — С. 3673
- ↑ J. Maire, M. Nomura Reduced Thermal Conductivities of Si 1D periodic structure and Nanowires // Jpn. J. of Appl. Phys. Год 2014 — Т. 53 — С. 06JE09
- .
- .
- .
- .
- .
- .
- ↑ T. Schumann, T. Gotschke, F. Limbach T. Stoica и R. Calarco Selective-area catalyst-free MBE growth of GaN nanowires using a patterned oxide layer // Nanotechnology. Год 2011 — Т. 22 — С. 095603 — URL: https://dx.doi.org/10.1088/0957-4484/22/9/095603
- ↑ 1 2 3 R. Anufriev, N. Chauvin, JB. Barakat, H. Khmissi, K. Naji, G. Patriarche, M. Gendry, C. Bru-Chevallier Polarization properties of single and ensembles of InAs/InP quantum rod nanowires emitting in the telecom wavelengths // Journal of Applied Physics. Год 2013 — Т. 113 — № 19 — С. 193101 — URL: https://dx.doi.org/10.1063/1.4804327
- ↑ 1 2 R. Anufriev, N. Chauvin, H. Khmissi, K. Naji, G. Patriarche, M. Gendry, C. Bru‐Chevallier Quantum efficiency of InAs/InP nanowire heterostructures grown on silicon substrates // Physica Status Solidi (RRL). Год 2013 — Т. 10 — В. 7 — С. 878 — URL: https://dx.doi.org/10.1002/pssr.201307242
- ↑ 1 2 R. Anufriev, N. Chauvin, H. Khmissi, K. Naji, G. Patriarche, M. Gendry, C. Bru-Chevallier Piezoelectric effect in InAs/InP quantum rod nanowires grown on silicon substrate // Applied Physics Letters. Год 2014 — Т. 104 — В. 18 — С. 183101 — URL: https://dx.doi.org/10.1063/1.4875276
- ↑ A. Mishra, L.V. Titova, T.B. Hoang, H.E. Jackson, L.M. Smith, J.M. Yarrison-Rice, Y. Kim, H.J. Joyce, Q. Gao, H.H. Tan, C. Jagadish Polarization and temperature dependence of photoluminescence from zincblende and wurtzite InP nanowires // Applied Physics Letters. Год 2007 — Т. 9 — В. 26 — С. 263104 — URL: https://dx.doi.org/10.1063/1.2828034
- ↑ R. R. LaPierre, A. C. E. Chia, S. J. Gibson, C. M. Haapamaki, J. Boulanger, R. Yee, P. Kuyanov, J. Zhang, N. Tajik, N. Jewell, and K. M. A. Rahman III-V nanowire photovoltaics: Review of design for high efficiency // Physica Status Solidi (RRL). Год 2013 — Т. 16 — С. 815 — URL: https://dx.doi.org/10.1002/pssr.201307109
- ↑ Davami K., Lee J.-S., Meyyappan M. Nanowires in Thermoelectric Devices // Transactions on Electrical and Electronic Materials. Год 2011 — Т. 12 — С. 227 — URL: https://dx.doi.org/10.4313/TEEM.2011.12.6.227
- ↑ S. Xu, B. J. Hansen, Z. L. Wang Piezoelectric-nanowire-enabled power source for driving wireless microelectronics // Nature communications. Год 2010 — Т. 1 — C. 93 — URL: https://dx.doi.org/10.1038/ncomms1098
- ↑ C. Thelander, P. Agarwal, S. Brongersma, J. Eymery, L. F. Feiner, A. Forchel, M. Scheffler, W. Riess, B. J. Ohlsson Nanowire-based one dimensional electronics // MaterialToday. Год 2006 - Т. 9 - В. 10 - С. 28 - URL: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702106716510 Архивная копия от 24 сентября 2015 на Wayback Machine
- ↑ Anufriev R. PhD Thesis: Optical Properties of InAs/InP Nanowire Heterostructures. — Lyon, France: INSA — Lyon, 2013