Nanodrát - Nanowire - Wikipedia

Část série článků o
Nanoelektronika
Jednomolekulární elektronika
Polovodičová nanoelektronika
Související přístupy
  • Aplikace Nuvola kalzium.svg Vědecký portál
  • Aplikace Nuvola ksim.png Elektronický portál
  • Telecom-icon.svg Technologický portál

A nanodrát je nanostruktura, s průměrem řádově nanometru (10−9 metrů). Lze jej také definovat jako poměr délky k šířce větší než 1000. Alternativně lze nanovláken definovat jako struktury, jejichž tloušťka nebo průměr jsou omezeny na desítky nanometry nebo méně a neomezená délka. V těchto stupnicích jsou důležité kvantově mechanické účinky - které vytvořily termín „kvantové dráty ". Existuje mnoho různých typů nanodrátů, včetně supravodivých (např. YBCO[1]), kovové (např. Ni, Pt, Au, Ag), polovodičové (např. křemíkové nanodráty (SiNW), InP, GaN ) a izolační (např. SiO2, TiO2 ). Molekulární nanodráty jsou složeny z opakujících se molekulárních jednotek buď organických (např. DNA ) nebo anorganické (např. Mo6S9 − xJáX).

Přehled

Krystalický 2 × 2 atom selenid cínu nanodráty pěstované uvnitř jedné zdi uhlíková nanotrubice (průměr trubice ~ 1 nm).[2]
Obraz HRTEM filtrovaný šumem a HgTe extrémní nanodráty vložené do centrálního póru SWCNT. Obraz je také doprovázen simulací krystalové struktury.[3]

Typické nanodráty vykazují poměry stran (poměr délky k šířce) 1 000 nebo více. Jako takové jsou často označovány jako jednorozměrné (1-D) materiály. Nanodráty mají mnoho zajímavých vlastností, které nejsou vidět u sypkých nebo 3-D (trojrozměrných) materiálů. To je proto, že elektrony v nanodrátech jsou kvantová omezen bočně a tak zabírat energetické hladiny, které se liší od tradičního kontinua energetických úrovní nebo pásů nacházejících se v sypkých materiálech.

Zvláštní vlastnosti tohoto kvantové omezení projevené určitými nanodráty se projevují v diskrétních hodnotách elektrická vodivost. Takové diskrétní hodnoty vznikají z kvantové mechanické zábrany počtu elektronů, které mohou procházet drátem v měřítku nanometrů. Tyto diskrétní hodnoty se často označují jako kvantum vodivosti a jsou celé číslo násobky

Jsou inverzní vůči známé jednotce odporu on2, což je zhruba 25812,8 ohmy, a označována jako von Klitzingova konstanta RK. (po Klaus von Klitzing, objevitel přesnou kvantizaci ). Od roku 1990 pevná konvenční hodnota RK-90 je přijat.[4]

Příklady nanodrátů zahrnují anorganické molekulární nanodráty (Mo6S9 − xJáX, Li2Mo6Se6), který může mít průměr 0,9 nm a být dlouhý stovky mikrometrů. Další důležité příklady jsou založeny na polovodičích, jako jsou InP, Si, GaN atd., Dielektrika (např. SiO2, TiO2), nebo kovy (např. Ni, Pt).

Existuje mnoho aplikací, kde se nanodráty mohou stát důležitými v elektronických, optoelektronických a nanoelektromechanických zařízeních, jako přísady do pokročilých kompozitů, pro kovové propojení v kvantových zařízeních v nanoměřítku, jako emitory pole a jako vodiče pro biomolekulární nanosenzory.

Syntéza

An SEM obrázek heterostruktur epitaxních nanodrátů vypěstovaných z nanočástic katalytického zlata.

K syntéze nanodrátů existují dva základní přístupy: vzhůru nohama a zdola nahoru. Přístup shora dolů redukuje velký kus materiálu na malé kousky různými způsoby, jako je litografie,[5][6] frézování nebo tepelná oxidace. Přístup zdola nahoru syntetizuje nanodráty kombinací složek adatomy. Většina technik syntézy používá přístup zdola nahoru. Po počáteční syntéze kteroukoli metodou může často následovat a krok tepelného zpracování nanodrátů, často zahrnující formu samoregulační oxidace, doladit velikost a poměr stran struktur.[7]

Výroba nanodrátů používá několik běžných laboratorních technik, včetně suspenze, elektrochemické depozice, depozice par a VLS růst. Technologie iontové dráhy umožňuje růst homogenních a segmentovaných nanodrátů do průměru 8 nm. Protože rychlost oxidace nanodrátů je řízena průměrem, tepelná oxidace často se používají kroky k vyladění jejich morfologie.

Suspenze

Zavěšený nanodrát je drát vyráběný ve vysokovakuové komoře držené v podélných končetinách. Pozastavené nanodráty mohou být vyráběny:

  • Chemické leptání většího drátu
  • Bombardování většího drátu, obvykle vysoce energetickými ionty
  • Odsazení hrotu a STM na povrchu kovu poblíž jeho bodu tání a poté jej zasunout

Růst VLS

Běžnou technikou pro vytváření nanodrátů je metoda pára-kapalina-pevná látka (VLS), který poprvé uvedli Wagner a Ellis v roce 1964 pro křemíkové vousy s průměrem od stovek nm do stovek μm.[8] Tento proces může produkovat vysoce kvalitní krystalické nanodráty z mnoha polovodičových materiálů, například VLS pěstované monokrystalické křemíkové nanodráty (SiNW) s hladkými povrchy by mohly mít vynikající vlastnosti, jako je ultra velká pružnost.[9] Tato metoda používá zdrojový materiál z obou laserů ablatovaný částice nebo přiváděný plyn jako např silan.

Syntéza VLS vyžaduje katalyzátor. Pro nanodráty jsou nejlepšími katalyzátory tekutý kov (např zlato ) nanoklastry, které lze buď samostatně sestavit z tenkého filmu pomocí odvlhčování nebo zakoupené v koloidní formě a nanesené na substrát.

Zdroj vstupuje do těchto nanoklasterů a začíná je saturovat. Po dosažení přesycení zdroj ztuhne a vyroste ven z nanoklastru. Pouhé vypnutí zdroje může upravit konečnou délku nanodráty. Přepínání zdrojů, zatímco je ještě v růstové fázi, může vytvářet složené nanodráty se super-mřížkami střídavých materiálů.

Jednostupňová reakce v plynné fázi při zvýšené teplotě syntetizuje anorganické nanodráty, jako je Mo6S9 − xJáX. Z jiného hlediska jsou takové nanodráty shlukové polymery.

Růst VSS Podobně jako při syntéze VLS probíhá syntéza nanodrátů (NWs) pomocí VSS (vapor-solid-solid) termolytickým rozkladem prekurzoru křemíku (typicky fenylsilanu). Na rozdíl od VLS zůstává katalytické semeno v pevném stavu, když je vystaveno vysokoteplotnímu žíhání substrátu. Tento typ syntézy se široce používá k syntéze kovových silicidových / germanidových nanodrátů prostřednictvím legování VSS mezi měděným substrátem a prekurzorem křemíku / germania.

Syntéza fáze řešení

Syntéza ve fázi řešení se týká technik, které pěstují nanodráty v roztoku. Mohou vyrábět nanodráty z mnoha druhů materiálů. Syntéza ve fázi řešení má tu výhodu, že ve srovnání s jinými metodami může produkovat velmi velká množství. V jedné technice je polyol Při syntéze je ethylenglykol rozpouštědlem i redukčním činidlem. Tato technika je zvláště všestranná při výrobě nanodrátů ze zlata,[10] olovo, platina a stříbro.

Superkritická metoda růstu kapalina-kapalina-pevná látka[11][12] lze použít k syntéze polovodičových nanovláken, např. Si a Ge. Použitím kovových nanokrystalů jako semen[13] Organokovové prekurzory Si a Ge se přivádějí do reaktoru naplněného superkritickým organickým rozpouštědlem, jako je toluen. Termolýza vede k degradaci prekurzoru, což umožňuje uvolňování Si nebo Ge a rozpouštění do kovových nanokrystalů. Když se z nadkritické fáze přidá více polovodičové rozpuštěné látky (kvůli koncentračnímu gradientu), vysráží se pevný krystalit a nanočástice vyrostou jednoosově ze semen nanokrystalů.

Pozorování růstu nanodrátů CuO na místě

Nekatalytický růst

Nanodráty lze pěstovat také bez pomoci katalyzátorů, což poskytuje výhodu čistých nanodrátů a minimalizuje počet technologických kroků. Nejjednodušší metody pro získání nanodrátů z oxidu kovu používají běžné zahřívání kovů, např. kovový drát vyhřívaný baterií, o Joule topení ve vzduchu[14] lze snadno provést doma. Převážná většina mechanismů tvorby nanodrátů je vysvětlena použitím katalytických nanočástic, které řídí růst nanodrátů a jsou buď přidávány záměrně, nebo generovány během růstu. Mechanismy pro růst nanodrátů (nebo vousů) bez katalyzátoru byly známy z padesátých let.[15] Spontánní tvorba nanodrátů nekatalytickými metodami byla vysvětlena dislokace v konkrétních směrech[16][17] nebo anizotropie růstu různých křišťálové tváře. V poslední době, po pokroku v mikroskopii, byl růst nanodrátů řízen dislokace šroubů[18][19] nebo dvojče hranice[20] byly předvedeny. Obrázek vpravo ukazuje růst jedné atomové vrstvy na špičce CuO nanodráty, pozorovaný in situ TEM mikroskopie během nekatalytické syntézy nanodrátů.

Syntéza kovových nanodrátů s templátem DNA

Nastupujícím polem je použití řetězců DNA jako lešení pro syntézu kovových nanodrátů. Tato metoda je zkoumána jak pro syntézu kovových nanodrátů v elektronických součástkách, tak pro aplikace biologického snímání, ve kterých umožňují transdukci řetězce DNA na kovový nanodrát, který lze elektricky detekovat. Typicky jsou vlákna ssDNA roztažena, poté jsou zdobena kovovými nanočásticemi, které byly funkcionalizovány krátkými komplementárními vlákny ssDNA.[21][22][23][24]

Crack-Defined Shadow Mask Litografie

Nedávno byla popsána jednoduchá metoda výroby nanodrátů s definovanou geometrií pomocí konvenční optické litografie.[25] V tomto přístupu se optická litografie používá ke generování nanogap pomocí řízené tvorby trhlin.[26] Tyto nanogapy se poté používají jako stínová maska ​​pro generování jednotlivých nanodrátů s přesnými délkami a šířkami. Tato technika umožňuje vyrábět jednotlivé nanodráty o šířce menší než 20 nm škálovatelným způsobem z několika kovových a oxidů kovů.

Fyzika

Vodivost nanodrátů

An SEM obrázek niklového drátu o průměru 15 mikrometrů.

Několik fyzikálních důvodů předpovídá, že vodivost nanodrátů bude mnohem menší než vodivost odpovídajícího sypkého materiálu. Nejprve se jedná o rozptyl z hranic drátu, jehož účinek bude velmi významný, kdykoli je šířka drátu pod volnou elektronovou střední volnou cestou sypkého materiálu. Například v mědi je střední volná cesta 40 nm. Měděné nanodráty o šířce menší než 40 nm zkrátí střední volnou cestu k šířce drátu. Stříbrné nanodráty mají velmi odlišnou elektrickou a tepelnou vodivost od hromadného stříbra.[27]

Nanodráty také vykazují díky své velikosti další zvláštní elektrické vlastnosti. Na rozdíl od uhlíkových nanotrubiček s jednou stěnou, jejichž pohyb elektronů může spadat do režimu balistický transport (což znamená, že elektrony mohou volně cestovat z jedné elektrody na druhou), vodivost nanodrátů je silně ovlivněna hranovými efekty. Okrajové efekty pocházejí z atomů, které leží na povrchu nanodrátů a nejsou plně vázány na sousední atomy, jako jsou atomy v převážné části nanodrátů. Nespojené atomy jsou často zdrojem defektů uvnitř nanodráty a mohou způsobit, že nanodrát vede elektřinu horší než sypký materiál. Jak se velikost nanodrátů zmenšuje, povrchové atomy jsou ve srovnání s atomy v nanodráti početnější a okrajové efekty se stávají důležitějšími.

Kromě toho může vodivost podstoupit kvantizaci energie: tj. Energie elektronů procházejících nanodrátem může nabývat pouze diskrétních hodnot, které jsou násobky vodivost kvantová G = 2e2/ h (kde E je náboj elektronu a h je Planckova konstanta. Viz také Kvantový Hallův efekt ).

Vodivost je proto popsána jako součet transportu odděleně kanály různých kvantovaných energetických úrovní. Čím tenčí je drát, tím menší je počet kanálů dostupných pro transport elektronů.

Tato kvantizace byla prokázána měřením vodivosti nanodrátů zavěšených mezi dvěma elektrodami při jeho tažení: jak se zmenšuje jeho průměr, jeho vodivost se postupně snižuje a plošiny odpovídají násobkům G.

Kvantizace vodivosti je u polovodičů, jako je Si nebo GaAs, výraznější než v kovech, a to kvůli jejich nižší hustotě elektronů a nižší efektivní hmotnosti. Lze jej pozorovat na křemíkových ploutvích širokých 25 nm a vede ke zvýšení hraniční napětí. V praxi to znamená, že a MOSFET s takovými křemíkovými ploutvemi v nanoměřítku, když se používají v digitálních aplikacích, bude k zapnutí tranzistoru potřebovat vyšší hradlové (řídicí) napětí.[28]

Svařovací nanodráty

Pro začlenění technologie nanodrátů do průmyslových aplikací vyvinuli vědci v roce 2008 metodu svařování nanodrátů společně: a obětní kov nanodrát je umístěn vedle konců spojovaných kusů (pomocí manipulátorů a rastrovací elektronový mikroskop ); poté se aplikuje elektrický proud, který pojistí konce drátu. Tato technika spojuje dráty malé až 10 nm.[29]

U nanodrátů o průměru menším než 10 nm nebudou stávající metody svařování, které vyžadují přesnou kontrolu nad ohřívacím mechanismem a které mohou představovat možnost poškození, nepraktické. Vědci nedávno zjistili, že monokrystalické ultratenké zlaté nanodráty o průměrech ~ 3–10 nm lze „svařovat za studena“ během několika sekund samotným mechanickým kontaktem a za pozoruhodně nízkých aplikovaných tlaků (na rozdíl od makro a mikroskopického měřítka) svařování za studena proces).[30] Vysoké rozlišení transmisní elektronová mikroskopie a in situ měření odhalila, že svary jsou téměř dokonalé se stejnou orientací krystalů, pevností a elektrickou vodivostí jako zbytek nanodráty. Vysoká kvalita svarů je přičítána rozměrům vzorku v nanoměřítku, mechanismům orientovaného připevnění a rychlé mechanické pomoci povrchová difúze. Nanodrátové svary byly také demonstrovány mezi zlatem a stříbrem a stříbrné nanodráty (o průměrech ~ 5–15 nm) při teplotě blízké teplotě místnosti, což naznačuje, že tato technika může být obecně použitelná pro ultratenké kovové nanodráty. V kombinaci s dalšími technologiemi nano- a mikrofabrikace[31][32] svařování za studena Předpokládá se, že v budoucnu bude mít potenciální aplikace zdola nahoru montáž kovových jednorozměrných nanostruktur.

Mechanické vlastnosti nanodrátů

Výzkum mechanických vlastností nanodrátů

Křivka napětí-deformace poskytuje všechny příslušné mechanické vlastnosti včetně; modul v tahu, mez kluzu, mez pevnosti v tahu a lomová pevnost

Studium mechaniky nanodrátů vzkvétalo od příchodu Mikroskop pro atomovou sílu (AFM) a související technologie, které umožnily přímé studium reakce nanodráty na aplikované zatížení.[33] Konkrétně lze nanodrát upnout z jednoho konce a volný konec posunout špičkou AFM. V této konzolové geometrii je přesně známa výška AFM a je přesně známa použitá síla. To umožňuje konstrukci křivky síla vs. posunutí, kterou lze převést na a stres vs. napětí křivka, jsou-li známy rozměry nanodrátů. Z křivky napětí-deformace byla elastická konstanta známá jako Young’s Modulus lze odvodit, stejně jako houževnatost a stupeň kalení.

Youngův modul nanodrátů

U nanodrátů byla popsána elastická složka křivky napětí-deformace popsaná Youngovým modulem, modul však velmi silně závisí na mikrostruktuře. Úplný popis závislosti modulu na průměru tedy chybí. Analyticky mechanika kontinua byla použita k odhadu závislosti modulu na průměru: v napětí, kde je objemový modul, je tloušťka vrstvy skořepiny, ve které je modul závislý na povrchu a liší se od objemu, je povrchový modul a je průměr.[33] Z této rovnice vyplývá, že modul se zvyšuje se zmenšujícím se průměrem. Různé výpočetní metody, jako je molekulární dynamika, však předpovídaly, že modul by se měl snižovat, jak se zmenšuje průměr.

Experimentálně se ukázalo, že zlaté nanodráty mají Youngův modul, který je účinně nezávislý na průměru.[34] Podobně, nano-odsazení byl použit ke studiu modulu stříbrných nanovláken a opět bylo zjištěno, že modul byl 88 GPa, velmi podobný modulu velkého stříbra (85 GPa)[35] Tyto práce prokázaly, že analyticky určená závislost modulu se zdá být potlačena ve vzorcích nanodrátů, kde se krystalická struktura velmi podobá struktuře objemového systému.

Naproti tomu byly studovány pevné nanodráty Si a ukázalo se, že mají klesající modul s průměrem[36] Autoři této práce uvádějí modul Si, který je poloviční oproti objemové hodnotě, a naznačují, že za tento rozdíl může hustota bodových defektů nebo ztráta chemické stechiometrie.

Mez kluzu nanodrátů

Plastickou složku křivky napětí-deformace (nebo přesněji nástup plasticity) popisuje mez kluzu. Pevnost materiálu se zvyšuje snížením počtu defektů v pevné látce, ke kterým dochází přirozeně v nanomateriály kde je objem pevné látky snížen. Jelikož se nanodrát smršťuje na jedinou linii atomů, měla by se síla teoreticky zvýšit až k síle molekulární pevnosti v tahu.[33] Zlaté nanodráty byly popsány jako „ultravysoká pevnost“ kvůli extrémnímu zvýšení meze kluzu, blížící se teoretické hodnotě E / 10.[34] Toto obrovské zvýšení výnosu je způsobeno nedostatkem dislokace v pevné látce. Bez dislokačního pohybu je v činnosti mechanismus „dislokace-hladovění“. Materiál může podle toho zažít obrovské napětí, než je možný dislokační pohyb, a poté začne tvrdnout. Z těchto důvodů se nanočástice (historicky popsané jako „vousy“) značně používají v kompozitech ke zvýšení celkové pevnosti materiálu.[33] Kromě toho se nanodráty nadále aktivně studují a výzkum si klade za cíl přenést vylepšené mechanické vlastnosti na nová zařízení v oborech MEMS nebo NEMS.

Aplikace

Elektronická zařízení

Atomistický výsledek simulace pro vytvoření inverzního kanálu (elektronové hustoty) a dosažení prahového napětí (IV) v nanodrátovém MOSFET. Všimněte si, že prahové napětí pro toto zařízení leží kolem 0,45V.

Nanodráty lze použít pro MOSFETy (MOS tranzistory s efektem pole ). MOS tranzistory jsou v dnešních elektronických obvodech široce používány jako základní stavební prvky.[37][38] Jak předpovídal Moorův zákon, rozměr MOS tranzistory se zmenšuje stále menší a menší na nanoměřítko. Jednou z klíčových výzev budování budoucích tranzistorů MOS v nanoměřítku je zajištění dobré kontroly brány nad kanálem. Vzhledem k vysokému poměru stran, pokud je hradlové dielektrikum obaleno kolem kanálu nanodrátů, můžeme získat dobrou kontrolu nad elektrostatickým potenciálem kanálu, čímž efektivně zapneme a vypneme tranzistor.

Díky jedinečné jednorozměrné struktuře s pozoruhodnými optickými vlastnostmi otevírá nanodrát také nové příležitosti pro realizaci vysoce účinných fotovoltaických zařízení.[39] Ve srovnání se svými hromadnými protějšky jsou solární články nanodrátů méně citlivé na nečistoty v důsledku hromadné rekombinace, a proto lze k dosažení přijatelné účinnosti použít křemíkové destičky s nižší čistotou, což vede ke snížení spotřeby materiálu.[40]

Prvním klíčovým krokem k vytvoření aktivních elektronických prvků bylo chemicky dopovat polovodičové nanodráty. To již bylo provedeno u jednotlivých nanodrátů za účelem vytvoření polovodičů typu p a n.

Dalším krokem bylo najít způsob, jak vytvořit p – n křižovatka, jedno z nejjednodušších elektronických zařízení. Toho bylo dosaženo dvěma způsoby. Prvním způsobem bylo fyzicky protáhnout vodič typu p po vodiči typu n. Druhá metoda spočívala v chemickém dotování jednoho drátu různými příměsemi po celé délce. Tato metoda vytvořila spojení p-n pouze s jedním vodičem.

Poté, co byly p-n spoje vybudovány pomocí nanodrátů, dalším logickým krokem bylo vybudování logické brány. Propojením několika p-n křižovatek dokázali vědci vytvořit základ všech logických obvodů: A, NEBO, a NE všechny brány byly postaveny z přechodů polovodičových nanodrátů.

V srpnu 2012 uvedli vědci konstrukci první Brána NAND z nedopovaných křemíkových nanodrátů. Tím se zabrání problému, jak dosáhnout přesného dopingu doplňkových nanoobvodů, který není vyřešen. Byli schopni ovládat Schottkyho bariéra dosáhnout kontaktů s nízkým odporem umístěním a silicid vrstva v rozhraní kov-křemík.[41]

Je možné, že přechody polovodičových nanodrátů budou pro budoucnost digitálních výpočtů důležité. Ačkoli existují i ​​další využití nanodrátů, jediná, která ve skutečnosti v režimu nanometrů využívá fyziku, jsou elektronická.[42]

Kromě toho se také studují nanodráty pro použití jako fotonové balistické vlnovody jako vzájemná propojení kvantová tečka / kvantový efekt dobře fotonová logická pole. Fotony cestují uvnitř trubice, elektrony cestují po vnějším plášti.

Když se dva nanodráty fungující jako fotonové vlnovody navzájem protínají, spojení funguje jako a kvantová tečka.

Vedení nanodrátů nabízí možnost propojení entit v molekulárním měřítku v molekulárním počítači. Disperze vodivých nanodrátů v různých polymerech se zkoumají pro použití jako průhledné elektrody pro flexibilní ploché displeje.

Kvůli jejich vysoké Youngovy moduly, je zkoumáno jejich použití při mechanickém vylepšování kompozitů. Protože se nanodráty objevují ve svazcích, lze je použít jako tribologická aditiva ke zlepšení třecích charakteristik a spolehlivosti elektronických měničů a akčních členů.

Díky vysokému poměru stran jsou nanodráty také jedinečně vhodné dielektroforetický manipulace,[43][44][45] který nabízí nízkonákladový přístup zdola nahoru k integraci suspendovaných dielektrických nanodrátů z oxidu kovu do elektronických zařízení, jako jsou UV, senzory vodní páry a ethanolu.[46]

Kvůli jejich velkému poměru povrchu k objemu se uvádí, že fyzikálně-chemické reakce jsou na povrchu nanodrátů příznivé. To může usnadnit degradační mechanismy, které fungují v některých nanodrátech za určitých podmínek zpracování, například v prostředí plazmy[47].

Jednotlivá nanodrátová zařízení pro snímání plynů a chemikálií

Jak již bylo zmíněno, díky vysokému poměru stran nanodrátů jsou tyto nanostruktury vhodné pro elektrochemické snímání s potenciálem konečné citlivosti. Jedna z výzev pro použití nanodrátů v komerčních produktech souvisí s izolací, manipulací a integrací nanodrátů do elektrického obvodu při použití konvenčního a manuálního výběru a umístění, což vede k velmi omezené propustnosti. Nedávný vývoj v metodách syntézy nanodrátů nyní umožňuje paralelní výrobu jednotlivých nanodrátových zařízení s užitečnými aplikacemi v elektrochemii, fotonice a plynovém a biologickém snímání.[25]

Nanowire lasery

Nanodrátové lasery pro ultrarychlý přenos informací ve světelných pulzech

Nanowire lasery jsou v měřítku nano lasery s potenciálem optických propojení a optické datové komunikace na čipu. Nanodrátové lasery jsou vyrobeny z polovodičových heterostruktur III – V, vysoký index lomu umožňuje nízké optické ztráty v jádru nanodrátů. Nanodrátové lasery jsou lasery o vlnové délce pouhých několika set nanometrů.[48][49] Nanowire lasery jsou Fabryho-Perotovy rezonátorové dutiny definované koncovými fazetami drátu s vysokou odrazivostí, nedávný vývoj prokázal opakovací rychlosti vyšší než 200 GHz, které nabízejí možnosti komunikace na úrovni optických čipů.[50][51]

Snímání proteinů a chemikálií pomocí polovodičových nanodrátů

Obdobně jako u zařízení FET, u kterých je modulace vodivosti (tok elektronů / otvorů) v polovodiči mezi vstupními (zdrojovými) a výstupními (odtokovými) svorkami řízena změnou elektrostatického potenciálu (hradlová elektroda) nosiče náboje ve vodivém kanálu zařízení, metodologie Bio / Chem-FET je založena na detekci lokální změny hustoty náboje nebo takzvaného „efektu pole“, který charakterizuje událost rozpoznávání mezi cílovou molekulou a povrchový receptor.

Tato změna povrchového potenciálu ovlivňuje zařízení Chem-FET přesně jako „hradlové“ napětí, což vede k detekovatelné a měřitelné změně ve vedení zařízení. Jsou-li tato zařízení vyrobena za použití polovodičových nanodrátů jako tranzistorového prvku, může vazba chemického nebo biologického druhu na povrch senzoru vést k vyčerpání nebo hromadění nosičů náboje v „objemu“ nanodráty o průměru nanometru, tj. (Malý kříž pro vodivé kanály). Drát, který slouží jako laditelný vodivý kanál, je navíc v těsném kontaktu se snímacím prostředím cíle, což vede ke krátké době odezvy spolu s řádovým zvýšením citlivosti zařízení v důsledku obrovského Poměr S / V nanodrátů.

Zatímco pro přípravu nanodrátů bylo použito několik anorganických polovodičových materiálů, jako jsou Si, Ge a oxidy kovů (např. In2O3, SnO2, ZnO atd.), Je Si obvykle materiálem volby při výrobě chemo / biosenzorů na bázi FET na bázi nanodrátů. .[52]

Několik příkladů použití křemíkový nanodrát Snímací zařízení (SiNW) zahrnují ultra citlivé snímání biomarkerových proteinů pro rakovinu v reálném čase, detekci jednotlivých virových částic a detekci nitro-aromatických výbušných materiálů, jako je 2,4,6 tri-nitrotoluen (TNT) v citlivých látkách lepší než u špičáků.[53]Křemíkové nanodráty by také mohly být použity ve své zkroucené formě jako elektromechanická zařízení k měření mezimolekulárních sil s velkou přesností.[54]

Omezení snímání s křemíkový nanodrát Zařízení FET

Obecně platí, že náboje na rozpuštěných molekulách a makromolekulách jsou skrínovány rozpuštěnými protiionty, protože ve většině případů jsou molekuly navázané na zařízení odděleny od povrchu senzoru přibližně 2–12 nm (velikost receptorových proteinů nebo DNA linkerů navázaných na senzor povrch). V důsledku screeningu se elektrostatický potenciál, který vzniká z nábojů na molekule analytu, s odstupem exponenciálně rozpadá směrem k nule. Pro optimální snímání tedy Délka debye musí být pečlivě vybrán pro měření FET nanodrátů. Jeden přístup k překonání tohoto omezení využívá fragmentaci jednotek zachycujících protilátky a kontrolu nad hustotou povrchového receptoru, což umožňuje důkladnější vazbu na nanodrát cílového proteinu. Tento přístup se ukázal jako užitečný pro dramatické zvýšení citlivosti srdeční biomarkery (např. Troponin ) detekce přímo ze séra pro diagnostiku akutního infarktu myokardu.[55]

Kukuřičné nanodráty

Kukuřičný nanodrát je jednorozměrný nanodrát se vzájemně propojenými nanočásticemi na povrchu, poskytující velké procento reaktivních aspektů. TiO2 kukuřičné nanodráty byly nejprve připraveny konceptem povrchové modifikace pomocí mechanismu namáhání povrchovým napětím prostřednictvím dvou po sobě jdoucích hydrotermálních operací a ukázaly zvýšení účinnosti solárního článku citlivého na barvivo vrstvu rozptylu světla.[56] CdSe kukuřičné nanodráty pěstované chemickou depozicí v lázni a kukuřičným γ-Fe2Ó3@SiO2@TiO2 fotokatalyzátory indukované interakcemi magnetických dipólů byly také popsány dříve.[57][58]

Viz také

Reference

  1. ^ Boston, R .; Schnepp, Z .; Nemoto, Y .; Sakka, Y .; Hall, S. R. (2014). „Pozorování TEM in situ mikrokruhovatelného mechanismu růstu nanodrátů“. Věda. 344 (6184): 623–6. Bibcode:2014Sci ... 344..623B. doi:10.1126 / science.1251594. hdl:1983 / 8f23c618-23f8-46e1-a1d9-960a0b491b1f. PMID  24812400. S2CID  206555658.
  2. ^ Carter, Robin; Suyetin, Michail; Lister, Samantha; Dyson, M. Adam; Trewhitt, Harrison; Goel, Sanam; Liu, Zheng; Suenaga, Kazu; Giusca, Cristina; Kashtiban, Reza J .; Hutchison, John L .; Dore, John C .; Bell, Gavin R .; Bichoutskaia, Elena; Sloan, Jeremy (2014). „Pásmo expanze mezery, chování fázové změny smykové inverze a kmitání krystalů indukované nízkým napětím v nízkodimenzionálních krystalech selenidu cínu“. Dalton Trans. 43 (20): 7391–9. doi:10.1039 / C4DT00185K. PMID  24637546.
  3. ^ Spencer, Joseph; Nesbitt, John; Trewhitt, Harrison; Kashtiban, Reza; Bell, Gavin; Ivanov, Victor; Faulques, Eric; Smith, David (2014). „Ramanova spektroskopie optických přechodů a vibračních energií ~ 1 nm HgTe extrémních nanodrátů v jednoplášťových uhlíkových nanotrubičkách“ (PDF). ACS Nano. 8 (9): 9044–52. doi:10.1021 / nn5023632. PMID  25163005.
  4. ^ von Klitzingova konstanta. fyzika.nist.gov
  5. ^ Shkondin, E .; Takayama, O., Aryaee Panah, M.E .; Liu, P., Larsen, P. V .; Mar, M. D., Jensen, F .; Lavrinenko, A. V. (2017). „Ve velkém měřítku s vysokým poměrem stran Al nanomateriály ZnO jako anizotropní metamateriály“ (PDF). Optické materiály Express. 7 (5): 1606–1627. Bibcode:2017OMExp ... 7.1606S. doi:10.1364 / OME.7.001606.
  6. ^ Shkondin, E .; Alimadadi, H., Takayama, O .; Jensen, F., Lavrinenko, A. V. (2020). „Výroba dutých koaxiálních volně stojících nanotrubiček Al2O3 / ZnAl2O4 s vysokým poměrem stran na základě Kirkendallova efektu“. Journal of Vacuum Science & Technology A. 38 (1): 1606–1627. Bibcode:2020JVSTA..38a3402S. doi:10.1116/1.5130176.
  7. ^ Liu, M .; Peng, J .; et al. (2016). „Dvojrozměrné modelování samoregulační oxidace v křemíkových a wolframových nanodrátech“. Dopisy z teoretické a aplikované mechaniky. 6 (5): 195–199. doi:10.1016 / j.taml.2016.08.002.
  8. ^ Wagner, R. S .; Ellis, W. C. (1964). "Mechanismus pára-kapalina-pevná látka pro růst monokrystalů". Appl. Phys. Lett. 4 (5): 89. Bibcode:1964ApPhL ... 4 ... 89 W.. doi:10.1063/1.1753975.
  9. ^ Zhang, H .; et al. (2016). „Blíží se hranice ideálního elastického přetvoření v křemíkových nanodrátech. Vědecké zálohy. 2 (8): e1501382. Bibcode:2016SciA .... 2E1382Z. doi:10.1126 / sciadv.1501382. PMC  4988777. PMID  27540586.
  10. ^ Yin, Xi; Wu, Jianbo; Li, Panpan; Shi, Miao; Yang, Hong (leden 2016). „Přístup k samovolnému ohřevu k rychlé výrobě uniformních kovových nanostruktur“. ChemNanoMat. 2 (1): 37–41. doi:10.1002 / cnma.201500123.
  11. ^ Holmes, J. D .; Johnston, K. P .; Doty, R. C .; Korgel, B. A. (2000). "Kontrola tloušťky a orientace křemíkových nanodrátů pěstovaných v roztoku". Věda. 287 (5457): 1471–3. Bibcode:2000Sci ... 287.1471H. doi:10.1126 / science.287.5457.1471. PMID  10688792.
  12. ^ Heitsch, Andrew T .; Akhavan, Vahid A .; Korgel, Brian A. (2011). „Rapid SFLS Synthesis of Si Nanowires Using Trisilane with in situ Alkyl-Amine Passivation“. Chemie materiálů. 23 (11): 2697–2699. doi:10,1021 / cm2007704.
  13. ^ Hanrath, T .; Korgel, B.A. (2003). „Superkritická tekutina – kapalina – pevná látka (SFLS) Syntéza nanodrátů Si a Ge naočkovaných koloidními kovovými nanokrystaly“. Pokročilé materiály. 15 (5): 437–440. doi:10.1002 / adma.200390101.
  14. ^ Rackauskas, S .; Nasibulin, A. G .; Jiang, H .; Tian, ​​Y .; Kleshch, V. I .; Sainio, J .; Obraztsova, E. D .; Bokova, S. N .; Obraztsov, A. N .; Kauppinen, E. I. (2010). „Nová metoda pro syntézu nanodrátů oxidem kovu“. Nanotechnologie. 20 (16): 165603. Bibcode:2009Nanot..20p5603R. doi:10.1088/0957-4484/20/16/165603. PMID  19420573. S2CID  3529748.
  15. ^ Sears, G.W. (1955). „Růstový mechanismus pro rtuťové vousy“. Acta Metall. 3 (4): 361–366. doi:10.1016/0001-6160(55)90041-9.
  16. ^ Frank, F. C. (1949). "Vliv dislokací na růst krystalů". Diskuze Faradayovy společnosti. 5: 48. doi:10.1039 / df9490500048. S2CID  53512926.
  17. ^ Burton, W. K.; Cabrera, N .; Frank, F. C. (1951). „Růst krystalů a rovnovážná struktura jejich povrchů“. Philos. Trans. R. Soc. Londýn A. 243 (866): 299–358. Bibcode:1951RSPTA.243..299B. doi:10.1098 / rsta.1951.0006. S2CID  119643095.
  18. ^ Morin, S. A .; Bierman, M. J .; Tong, J .; Jin, S. (2010). „Mechanismus a kinetika spontánního růstu nanotrubiček poháněných dislokacemi šroubů“. Věda. 328 (5977): 476–480. Bibcode:2010Sci ... 328..476M. doi:10.1126 / science.1182977. PMID  20413496. S2CID  30955349.
  19. ^ Bierman, M. J .; Lau, Y. K. A .; Kvit, A.V; Schmitt, A.L .; Jin, S. (2008). "Dislokace řízený růst nanodrátů a Eshelby Twist". Věda. 320 (5879): 1060–1063. Bibcode:2008Sci ... 320.1060B. doi:10.1126 / science.1157131. PMID  18451264. S2CID  20919593.
  20. ^ Rackauskas, S .; Jiang, H .; Wagner, J. B .; Shandakov, S. D .; Hansen, T. W .; Kauppinen, E. I .; Nasibulin, A. G. (2014). „In situ studie růstu nekatalytických nanodrátů oxidu kovu“. Nano Lett. 14 (10): 5810–5813. Bibcode:2014NanoL..14.5810R. doi:10.1021 / nl502687s. PMID  25233273.
  21. ^ Guo; et al. (2018). „Efektivní DNA transmembránových zlatých nanodrátů za pomoci DNA“. Mikrosystémy a nanoinženýrství. 4: 17084. doi:10.1038 / micronano.2017.84.
  22. ^ Teschome, Bezu; Facsko, Stefan; Schönherr, Tommy; Kerbusch, Jochen; Keller, Adrian; Erbe, Artur (2016). „Transport poplatků závislých na teplotě prostřednictvím individuálně kontaktovaných DNA nanočástic založených na Origami“. Langmuir. 32 (40): 10159–10165. doi:10.1021 / acs.langmuir. 6b01961. PMID  27626925.
  23. ^ Rakitin, A; Aich, P; Papadopoulos, C; Kobzar, Yu; Vedeneev, A. S; Lee, J. S; Xu, J. M (2001). „Metalické vedení skrz konstruovanou DNA: DNA nanoelektronické stavební bloky“. Dopisy o fyzické kontrole. 86 (16): 3670–3. Bibcode:2001PhRvL..86,3670R. doi:10.1103 / PhysRevLett.86.3670. PMID  11328050.
  24. ^ Ongaro, A; Griffin, F; Nagle, L; Iacopino, D; Eritja, R; Fitzmaurice, D (2004). „Sestava templátovaná DNA proteinově nanogapové elektrody“. Pokročilé materiály. 16 (20): 1799–1803. doi:10.1002 / adma.200400244.
  25. ^ A b Enrico; et al. (2019). „Škálovatelná výroba zařízení s jedním nanodrátem pomocí litografie stínové masky definované crackem“. ACS Appl. Mater. Rozhraní. 11: 8217–8226. doi:10.1021 / acsami.8b19410.
  26. ^ Dubois; et al. (2016). „Crack-Defined Electronic Nanogaps“. Pokročilé materiály. 28: 2172178–2182. doi:10.1002 / adma.201504569.
  27. ^ Cheng, Zhe; Liu, Longju; Xu, Shen; Lu, Meng; Wang, Xinwei (06.06.2015). „Teplotní závislost elektrického a tepelného vedení v jediném stříbrném nanodrtu“. Vědecké zprávy. 5 (1): 10718. doi:10.1038 / srep10718. ISSN  2045-2322.
  28. ^ Tilke, A. T .; Simmel, F. C .; Lorenz, H .; Blick, R. H .; Kotthaus, J. P. (2003). "Kvantová interference v jednorozměrném křemíkovém nanodrátu". Fyzický přehled B. 68 (7): 075311. Bibcode:2003PhRvB..68g5311T. doi:10.1103 / PhysRevB.68.075311.
  29. ^ Halford, Bethany (2008). "Wee Welding with Nanosolder". Chemické a technické novinky. 86 (51): 35.
  30. ^ Lu, Yang; Huang, Jian Yu; Wang, Chao; Sun, Shouheng; Lou, červen (2010). "Studené svařování ultratenkých zlatých nanodrátů". Přírodní nanotechnologie. 5 (3): 218–24. Bibcode:2010NatNa ... 5..218L. doi:10.1038 / nnano.2010.4. PMID  20154688.
  31. ^ Zhong, Z .; Wang, D; Cui, Y; Bockrath, M. W .; Lieber, C. M. (2003). "Nanowire Crossbar Arrays as Address Decoders for Integrated Nanosystems" (PDF). Věda. 302 (5649): 1377–9. Bibcode:2003Sci...302.1377Z. doi:10.1126/science.1090899. PMID  14631034. S2CID  35084433.
  32. ^ Huo, F.; Zheng, Z.; Zheng, G .; Giam, L. R.; Zhang, H .; Mirkin, C. A. (2008). "Polymer Pen Lithography" (PDF). Věda. 321 (5896): 1658–60. Bibcode:2008Sci...321.1658H. doi:10.1126/science.1162193. PMID  18703709. S2CID  354452.
  33. ^ A b C d Wang, Shiliang; Shan, Zhiwei; Huang, Han (2017-01-03). "The Mechanical Properties of Nanowires". Pokročilá věda. 4 (4): 1600332. doi:10.1002/advs.201600332. PMC  5396167. PMID  28435775.
  34. ^ A b Wu, Bin; Heidelberg, Andreas; Boland, John J. (2005-06-05). "Mechanical properties of ultrahigh-strength gold nanowires". Přírodní materiály. 4 (7): 525–529. Bibcode:2005NatMa...4..525W. doi:10.1038/nmat1403. ISSN  1476-1122. PMID  15937490. S2CID  34828518.
  35. ^ Li, Xiaodong; Gao, Hongsheng; Murphy, Catherine J.; Caswell, K. K. (Nov 2003). "Nanoindentation of Silver Nanowires". Nano dopisy. 3 (11): 1495–1498. Bibcode:2003NanoL...3.1495L. doi:10.1021/nl034525b. ISSN  1530-6984.
  36. ^ Wang, Zhong Lin; Dai, Zu Rong; Gao, Ruiping; Gole, James L. (2002-03-27). "Measuring the Young's modulus of solid nanowires byin situTEM". Journal of Electron Microscopy. 51 (suppl 1): S79–S85. doi:10.1093/jmicro/51.Supplement.S79. ISSN  0022-0744. S2CID  53588258.
  37. ^ "Triumph of the MOS Transistor". Youtube. Muzeum počítačové historie. 6. srpna 2010. Citováno 21. července 2019.
  38. ^ Raymer, Michael G. (2009). The Silicon Web: Physics for the Internet Age. CRC Press. p. 365. ISBN  9781439803127.
  39. ^ Yu, Peng; Wu, Jiang; Liu, Shenting; Xiong, Jie; Jagadish, Chennupati; Wang, Zhiming M. (2016-12-01). "Design and fabrication of silicon nanowires towards efficient solar cells". Nano dnes. 11 (6): 704–737. doi:10.1016/j.nantod.2016.10.001.
  40. ^ Kayes, Brendan M.; Atwater, Harry A .; Lewis, Nathan S. (2005-05-23). "Comparison of the device physics principles of planar and radial p-n junction nanorod solar cells" (PDF). Journal of Applied Physics. 97 (11): 114302–114302–11. Bibcode:2005JAP....97k4302K. doi:10.1063/1.1901835. ISSN  0021-8979.
  41. ^ Mongillo, Massimo; Spathis, Panayotis; Katsaros, Georgios; Gentile, Pascal; De Franceschi, Silvano (2012). "Multifunctional Devices and Logic Gates with Undoped Silicon Nanowires". Nano dopisy. 12 (6): 3074–9. arXiv:1208.1465. Bibcode:2012NanoL..12.3074M. doi:10.1021/nl300930m. PMID  22594644. S2CID  22112655.
  42. ^ Appenzeller, Joerg; Knoch, Joachim; Bjork, Mikael T.; Riel, Heike; Schmid, Heinz; Riess, Walter (2008). "Toward nanowire electronics". Transakce IEEE na elektronových zařízeních. 55 (11): 2827–2845. Bibcode:2008ITED...55.2827A. doi:10.1109/TED.2008.2008011. S2CID  703393.
  43. ^ Wissner-Gross, A. D. (2006). "Dielectrophoretic reconfiguration of nanowire interconnects" (PDF). Nanotechnologie. 17 (19): 4986–4990. Bibcode:2006Nanot..17.4986W. doi:10.1088/0957-4484/17/19/035.
  44. ^ "Nanowires get reconfigured". nanotechweb.org. 19. října 2006. Archivovány od originál dne 22. května 2007. Citováno 18. ledna 2007.
  45. ^ Grange, R.; Choi, J.W.; Hsieh, C.L.; Pu, Y .; Magrez, A.; Smajda, R.; Forro, L.; Psaltis, D. (2009). "Lithium niobate nanowires: synthesis, optical properties and manipulation". Aplikovaná fyzikální písmena. 95 (14): 143105. Bibcode:2009ApPhL..95n3105G. doi:10.1063/1.3236777. Archivovány od originál on 2016-05-14.
  46. ^ Vizcaíno, J. L. P.; Núñez, C. G. A. (2013). "Fast, effective manipulation of nanowires for electronic devices". SPIE Newsroom. doi:10.1117/2.1201312.005260. S2CID  124474608.
  47. ^ Coradini, Diego S. R.; Tunes, Matheus A .; Kremmer, Thomas M.; Schön, Claudio G.; Uggowitzer, Peter J.; Pogatscher, Stefan (2020-11-05). "Degradation of Cu nanowires in a low-reactive plasma environment". npj Materials Degradation. 4 (1): 1–8. doi:10.1038/s41529-020-00137-2. ISSN  2397-2106.
  48. ^ Koblmüller, Gregor; et al. (2017). "GaAs–AlGaAs core–shell nanowire lasers on silicon: invited review". Polovodičová věda a technologie. 32 (5). 053001. Bibcode:2017SeScT..32e3001K. doi:10.1088/1361-6641/aa5e45.
  49. ^ Yan, Ruoxue; Gargas, Daniel; Yang, Peidong (2009). "Nanowire photonics". Fotonika přírody. 3 (10): 569–576. Bibcode:2009NaPho...3..569Y. doi:10.1038/nphoton.2009.184.
  50. ^ Mayer, B .; et al. (2015). "Monolithically integrated high-β nanowire lasers on silicon". Nano dopisy. 16 (1): 152–156. doi:10.1021/acs.nanolett.5b03404.
  51. ^ Mayer, B .; et al. (2017). "Long-term mutual phase locking of picosecond pulse pairs generated by a semiconductor nanowire laser". Příroda komunikace. 8. 15521. arXiv:1603.02169. Bibcode:2017NatCo...815521M. doi:10.1038/ncomms15521. PMID  28534489. S2CID  1099474.
  52. ^ Lu, Wei; Xiang, Jie, eds. (2015). Semiconductor Nanowires. Cambridge: Royal Society of Chemistry.
  53. ^ Engel, Yoni; Elnathan, Roey; Pevzner, Alexander; Davidi, Guy; Flaxer, Eli; Patolsky, Fernando (2010). "Supersensitive Detection of Explosives by Silicon Nanowire Arrays". Angewandte Chemie International Edition. 49 (38): 6830–6835. doi:10.1002/anie.201000847. PMID  20715224.
  54. ^ Garcia, J. C.; Justo, J. F. (2014). "Twisted ultrathin silicon nanowires: A possible torsion electromechanical nanodevice". Europhys. Lett. 108 (3): 36006. arXiv:1411.0375. Bibcode:2014EL....10836006G. doi:10.1209/0295-5075/108/36006. S2CID  118792981.
  55. ^ Elnathan, Roey; Kwiat, M.; Pevzner, A.; Engel, Y .; Burstein, L.; Khatchtourints, A.; Lichtenstein, A.; Kantaev, R.; Patolsky, F. (10 September 2012). "Biorecognition Layer Engineering: Overcoming Screening Limitations of Nanowire-Based FET Devices". Nano dopisy. 12 (10): 5245–5254. Bibcode:2012NanoL..12.5245E. doi:10.1021/nl302434w. PMID  22963381.
  56. ^ Bakhshayesh, A. M.; Mohammadi, M. R.; Dadar, H.; Fray, D. J. (2013). "Improved efficiency of dye-sensitized solar cells aided by corn-like TiO2 nanowires as the light scattering layer". Electrochimica Acta. 90 (15): 302–308. doi:10.1016/j.electacta.2012.12.065.
  57. ^ Gubur, H. M.; Septekin, F.; Alpdogan, S.; Sahan, B.; Zeyrek, B. K. (2016). "Structural properties of CdSe corn-like nanowires grown by chemical bath deposition". Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 27 (7): 7640–7645. doi:10.1007/s10854-016-4748-2. S2CID  137884561.
  58. ^ Wang, F .; Li, M .; Yu, L .; Sun, F.; Wang, Z .; Zhang, L .; Zeng, H .; Xu, X. (2017). "Corn-like, Recoverable γ-Fe2Ó3@SiO2@TiO2 Photocatalyst Induced by Magnetic Dipole Interactions". Sci. Rep. 7 (1). 6960. Bibcode:2017NatSR...7.6960W. doi:10.1038/s41598-017-07417-z. PMID  28761085. S2CID  6058050.

externí odkazy