En nanotråd er en nanostruktur , hvis diameter uttrykkes i nanometer , så i prinsippet fra 1 til 999 nanometer. For enkelhets skyld tolereres et visst overløp i disse dimensjonene.
Alternativt kan nanotråder defineres som strukturer som har en definert tykkelse eller diameter, men av hvilken som helst lengde. På disse skalaene er kvanteeffektene viktig - derav bruken av begrepet "kvantetråder". Det finnes mange typer nanotråder, inkludert metalliske materialer (f.eks. Ni , Pt , Au ), halvledere (som Si , InP , GaN , etc.) eller dielektrikker (f.eks. SiO 2, TiO 2), eller selvmonterende metall / plastblanding. De molekylære nanotrådene er laget av organiske molekylære enheter (f.eks. DNA ) eller uorganiske (Mo 6 S 9-x I x ) gjentas.
Disse nanometriske objektene er av interesse for mange teknologiske (mikro / nanoelektronikk, solceller energi ) og vitenskapelige ( biologi , fysikk ) felt .
På grunn av sin store formfaktor blir nanotråder noen ganger litt feilklassifisert i endimensjonale eller kvasi-endimensjonale strukturer, som nanorør . Noen ganger forbinder vi også "nanotråder" og "kvantetråder", men en ledning med nanometrisk dimensjon viser ikke nødvendigvis kvanteeffekter.
Det anbefales derfor ikke å blande:
Det er to grunnleggende tilnærminger for å utvikle nanotråder: top-down-tilnærming og bottom-up-tilnærming. Top-down-tilnærmingen består i å etse strukturen i et substrat, ved hjelp av litografi og etseteknikker, ofte brukt i mikroelektroniske prosesser. Snarere er bunn-opp-tilnærmingen å utvide strukturen ved å montere atomene som utgjør den.
VLS (for Vapor-Liquid-Solid) vekstmetode er den mest brukte for vekst av nanotråder. Det gjøres ved hjelp av en flytende katalysator, gjennom hvilken atomene i dampfasen absorberes og diffunderer mot substratet. Nukleering av den faste fasen ser ut til å finne sted ved grensesnittet mellom væskekatalysatoren og substratet, derfor i to dimensjoner. En artikkel av Wagner og Ellis (1964) henviser først til denne vekstmetoden, og prøver å forklare veksten av "nanowhiskers" på silisiumsubstrater uten hjelp av forvridning eller andre defekter i utgangskrystallet.
VSS vekst SLS vekst SelvmonteringEn bottom-up-tilnærming består i å bruke forbindelser hvis molekyler selv monteres alene eller under påvirkning av et felt (elektrisk, magnetisk, lysstråling). For eksempel kan plast og metallforbindelser danne nanotråder under et lys mellom elektrodene under spenning.
Flere fysiske årsaker forutsier at ledningsevnen til en nanotråd vil være mye lavere enn for det tilsvarende basismaterialet. Først og fremst er det en spredning fra grensene til ledningen, hvis effekt vil være veldig stor når bredden på ledningen er mindre enn den gjennomsnittlige frie banen til de frie elektronene av bulkmaterialet. I kobber er for eksempel den gjennomsnittlige frie banen 40 nm. Kobbernanotråder med en bredde på mindre enn 40 nm forkorter den gjennomsnittlige frie banen opp til ledningens bredde. Sølv nanotråder har en helt annen elektrisk og termisk ledningsevne enn solid sølv.
Nanotråder har også andre spesielle elektriske egenskaper på grunn av størrelsen. I motsetning til karbon-nanorør med en vegg, hvis bevegelse av elektroner kan falle inn under regimet for ballistisk transport (noe som betyr at elektroner kan bevege seg fritt fra en elektrode til en annen), blir ledningsevnen til nanotrådene sterkt påvirket av bivirkninger. Kanteffektene kommer fra atomene som er på overflaten av nanotråden og ikke er helt bundet til naboatomer som atomene i massen av nanotråden. Ubundne atomer er ofte en kilde til feil i nanotråden, og kan føre til at nanotråden leder strøm dårligere enn grunnmaterialet. Når størrelsen på en nanotråd synker, blir overflateatomene flere enn atomene i nanotråden, og kanteffektene blir viktigere.
I tillegg kan ledningsevne gjennomgå energikvantisering: det vil si at energien til elektroner som passerer gjennom en nanotråd bare kan ta diskrete verdier, som er multipler av ledningskvantumet . G = 2e 2 / t (hvor e er elektronens ladning og h er Plancks konstant . Se også kvante Hall-effekten ).
Ledningsevne blir derfor beskrevet som summen av transporten gjennom separate "kanaler" av forskjellige kvantiserte energinivåer. Jo tynnere ledningen er, jo mindre er antallet tilgjengelige kanaler for elektrontransport.
Denne kvantifiseringen ble demonstrert ved å måle ledningsevnen til en nanotråd suspendert mellom to elektroder mens du trekker i den: når diameteren synker, reduseres ledningsevnen gradvis, og platåene tilsvarer multipler av G.
Kvantifiseringen av ledningsevne er mer uttalt i halvledere som Si eller GaAs enn i metaller, på grunn av deres lavere elektrondensitet og lavere effektive masse, og kan observeres i finner. Silisium 25 nm bredt, og resulterer i en økning i terskelspenningen . Konkret betyr dette at en MOSFET med slike nanoskala silisiumfinner, når de brukes i digitale applikasjoner, vil trenge en høyere gate (kontroll) spenning for å slå på transistoren.
For å integrere nanotrådsteknologi i industrielle applikasjoner, utviklet forskere i 2008 en metode for sveising av nanotråder: En oppofrende nanotråd av metall er plassert nær endene av delene som skal settes sammen (ved hjelp av manipulatorene til et skanningelektronmikroskop ); deretter påføres en elektrisk strøm, som smelter endene av ledningen. Denne teknikken gjør at ledninger så små som 10 nm kan smeltes sammen. For nanotråder med en diameter på mindre enn 10 nm vil eksisterende sveiseteknikker, som krever nøyaktig kontroll av oppvarmingsmekanismen og som kan medføre risiko for forringelse, ikke være praktisk. Forskere oppdaget nylig at monokrystallinske ultrafine nanotråder av gull med en diameter på ~ 3 til 10 nm kan "kaldesveises" på få sekunder ved enkel mekanisk kontakt og under bemerkelsesverdig lave påførte trykk (i motsetning til konvensjonelle sveiseprosesser). Kaldt ved makro og mikro skala). Overføringselektronmikroskopi med høy oppløsning og in situ- målinger avslører at sveisene er nesten perfekte, med samme krystallorientering, motstand og elektrisk ledningsevne som resten av nanotråden. Sveisenes høye kvalitet tilskrives dimensjonene til prøven i nanoskalaen, de orienterte fikseringsmekanismene og den hurtige diffusjonsassisterte mekaniske overflatediffusjonen . Nanowire sveiser har også blitt demonstrert mellom gull og sølv, og sølv nanotråder (med diametre ~ 5-15 nm) ved en temperatur nær romtemperatur, noe som indikerer at denne teknikken generelt kan være aktuelt for ultrafine metall nanotråder. Kombinert med andre nano- og mikrofabrikasjonsteknologier, forventes kald sveising å ha potensielle bruksområder i den fremtidige bunn-opp- montering av endimensjonale metall-nanostrukturer.
Nanotråder kan brukes til MOSFET (MOS felteffekttransistorer ). De Moss transistorer er mye brukt som konstruksjonselementer i omløpsgrunnleggende elektroniske kretser. Som forutsagt av Moores lov , reduseres størrelsen på MOS- transistorer i økende grad til nanometrisk skala. En av hovedutfordringene ved å bygge fremtidige MOS-transistorer i nanoskala er å sikre god portkontroll over kanalen. På grunn av det høye sideforholdet, hvis gate-dielektrikumet er viklet rundt nanotrådkanalen, kan vi oppnå god kontroll over kanalens elektrostatiske potensial, som kan slå transistoren av og på effektivt.
På grunn av sin unike, endimensjonale struktur med bemerkelsesverdige optiske egenskaper, åpner nanotråden også nye muligheter for realisering av høyeffektive solcelleanordninger. Sammenlignet med bulk-kolleger, er nanotråds solceller mindre følsomme for urenheter på grunn av bulkrekombinering, og derfor kan silisiumplater med lavere renhet brukes til å oppnå akseptabelt utbytte, noe som resulterer i redusert materialforbruk.
For å lage aktive elektroniske elementer var det første viktige trinnet å kjemisk doping av en halvleder nanotråd. Dette har allerede blitt gjort for individuelle nanotråder for å lage halvledere av typen p og n.
Neste trinn var å finne en måte å lage et pn-kryss , en av de enkleste elektroniske enhetene. Dette har blitt gjort på to måter. Den første var å krysse en p-type ledning over en n-type ledning. Den andre metoden besto av kjemisk doping av en enkelt ledning med forskjellige dopemidler i hele lengden. Denne metoden gjorde det mulig å lage et pn-kryss med en enkelt ledning.
Når pn-kryssene ble bygget med nanotråder, var det neste logiske trinnet å bygge logiske porter . Ved å koble flere pn-kryss sammen, var forskerne i stand til å lage grunnlaget for alle logiske kretser: AND , OR , og IKKE porter ble alle konstruert fra kryss av halvledernanotråder.
I august 2012 rapporterte forskere at de hadde konstruert den første NAND-porten fra udopede silisiumnanotråder. Dette gjør det mulig å unngå problemet med presisjonsdoping av komplementære nanokretser, som ikke er løst. De var i stand til å kontrollere Schottky-barrieren for å oppnå kontakt med lav motstand ved å plassere et lag silisid i metall-silisiumgrensesnittet.
Semiconductor nanowire crosses kan være viktig for fremtiden for digital databehandling. Mens det er andre bruksområder for nanotråder, er de eneste som faktisk utnytter fysikken i nanometerregimet elektronikk.
I tillegg blir nanotråder også undersøkt for bruk som ballistiske fotonbølgeledere som sammenkoblinger i quantum dot / quantum well fotoniske logiske matriser . Fotoner beveger seg inne i røret, elektroner beveger seg på det ytre skallet.
Når to nanotråder som fungerer som fotoniske bølgeledere krysser hverandre, fungerer krysset som en kvantprikk .
Ledende nanotråder gir muligheten for å koble enheter på molekylær skala i en molekylær datamaskin. Dispersjoner av ledende nanotråder i forskjellige polymerer blir undersøkt for bruk som gjennomsiktige elektroder for fleksible flatskjermer.
På grunn av deres høye Young-modul er deres bruk i mekanisk forbedrede kompositter under etterforskning. Ettersom nanotrådene vises i bunter, kan de brukes som tribologiske tilsetningsstoffer for å forbedre friksjonskarakteristikkene og påliteligheten til elektroniske svingere og aktuatorer.
På grunn av sitt høye sideforhold er nanotråder også spesielt egnet for dielektroforetisk manipulering , noe som gir en billig bunn-opp-tilnærming for å integrere suspenderte dielektriske metalloksyd-nanotråder i elektroniske enheter som UV-sensorer., Vanndamp og etanol.