Un nanocristal de mustață (NNC), numit adesea și nanowhisker (din engleză nanowhisker ) sau nanothread , nanowire (din engleză nanowires ), precum și nanorod ( ing. nanorod ) este un nanomaterial unidimensional , a cărui lungime depășește semnificativ celelalte dimensiuni, care, la rândul lor, nu depășesc câteva zeci de nanometri .
Există diferite tipuri de NW, inclusiv metalice (de exemplu , Ni , Au și altele), semiconductoare (de exemplu, din Si , InP , GaN și altele), moleculare (formate din unități moleculare de origine organică sau anorganică) și alții.
Din punct de vedere formal, există o oarecare diferență între conceptele de nanowhiskers și, de exemplu, nanofirele , deoarece în primul caz, de obicei, se înțeleg structuri cristaline relativ scurte, cu o lungime de câțiva micrometri , iar în cel din urmă, nanostructuri extrem de lungi. , asemănând literalmente cu un fir. În literatura științifică în limba rusă , de regulă, se folosește termenul de mustăți (NNCs) sau nanowhiskers [1] . Glosarul termenilor nanotehnologici oferă diferite descrieri ale termenilor nanothread și nanowhisker . Trebuie remarcat faptul că conceptul de nanorod diferă semnificativ de alte concepte, deoarece implică faptul că lungimea unui obiect depășește diametrul său de doar câteva ori, iar în literatura științifică, un nanorod este adesea înțeles ca un NW cu un diametru care depășește 100–200 nm. Cu alte cuvinte, nanorods înseamnă nanoobiecte care seamănă literalmente cu o tijă scurtă, nanothreads seamănă cu fire lungi, iar nanowhiskers sunt ceva la mijloc. Oricum ar fi, utilizarea extrem de ambiguă a tuturor acestor termeni poate fi găsită peste tot, ceea ce poate însemna atât nanostructuri unidimensionale scurte, cât și lungi. Astfel, termenii NW și nanostructură unidimensională sunt într-un fel cei mai generali. Toți acești termeni nu trebuie confundați cu conceptul de nanotub .
Există mai multe mecanisme fundamental diferite pentru obținerea nanostructurilor unidimensionale, care pot fi împărțite în metode de obținere a structurilor libere (de exemplu, mecanismul de creștere „vapor-lichid-cristal”) și utilizarea metodelor tehnologiei plane , precum și altele.
Cel mai comun mecanism pentru creșterea NW-urilor semiconductoare este mecanismul vapor-lichid-cristal [1] , care a fost demonstrat încă din 1964 [2] . În această metodă, creșterea epitaxială a NW este realizată prin depunere chimică de vapori sau epitaxie cu fascicul molecular .
Pentru a face acest lucru, pe suprafața substratului se depune mai întâi o peliculă subțire de aur, care joacă rolul unui catalizator , după care temperatura din cameră crește, iar aurul formează o serie de picături. În continuare, sunt furnizate componente pentru creșterea unui material semiconductor, de exemplu, elementele In și P pentru creșterea InP NWs. Efectul activării de către particulele de catalizator este că creșterea pe suprafața de sub picătură are loc de multe ori mai rapid decât pe suprafața neactivată, astfel încât picătura de catalizator se ridică deasupra suprafeței, crescând o mustață dedesubt.
Uneori, metodele tehnologice plane sunt folosite pentru a crea nano-obiecte unidimensionale, care sunt numite și NW-uri sau nanofire. De exemplu, la suprafață, folosind metode de fotolitografie și gravare , se creează șanțuri verticale [3] sau șanțuri în formă de V [4] , în care se depune materialul. Adunându-se în aceste șanțuri sau șanțuri, materialul formează, parcă, nanostructuri unidimensionale în direcția verticală sau, respectiv, orizontală. O altă metodă de obținere a nanostructurilor unidimensionale este aceea că pe substratul SOI , folosind metode foto și litografie electronică , se creează un strat de mască cu un model de NW dorit. În plus, prin acest strat, stratul de suprafață de siliciu este gravat, lăsând doar siliciu NW pe izolator. În unele cazuri, izolatorul este de asemenea gravat de sub NV, lăsând nanostructuri libere [5] .
Cea mai simplă metodă de obținere a NW de oxid metalic este încălzirea obișnuită a metalelor în aer [6] și se poate face cu ușurință acasă. Mecanismele de creștere sunt cunoscute încă din anii 1950 [7] . Formarea spontană a NW-urilor are loc cu ajutorul defectelor rețelei cristaline: luxații prezente în anumite direcții [8] sau anizotropie de creștere a diferitelor fețe de cristal . După avansarea în microscopie, a fost demonstrată creșterea NW-urilor prin dislocarea șuruburilor [9] [10] sau a limitelor gemene [11] .
Pe lângă metodele de mai sus, există și astfel de metode pentru obținerea NW, cum ar fi mecanismul vapor-cristal-cristal, creșterea cristalului fără utilizarea unui catalizator extern (creștere autocatalizată) [12] , epitaxia selectivă și unele alte metode [1] .
NW-urile pot fi crescute dintr-un material sau constau din două sau mai multe straturi de materiale diferite crescute unul peste celălalt (de exemplu, InAs/InP) [13] . În acest caz, se vorbește despre o heterostructură bazată pe NW. Pentru a obține heterostructuri bazate pe NW, în timpul procesului de creștere a cristalelor epitaxiale, la un moment dat, aprovizionarea cu elemente ale unei substanțe este oprită și începe furnizarea alteia, astfel încât straturi dintr-un nou material se formează în matricea de cel precedent.
Există două tipuri principale de heterostructuri bazate pe NW: axiale, când straturi subțiri de diferite materiale sunt situate de-a lungul axei de creștere a cristalelor, și radiale, când un material îl înconjoară pe altul [14] . Din punct de vedere al formei, dintre heterostructurile bazate pe NW, se disting puncte cuantice , godeuri cuantice axiale și radiale , tije cuantice (puncte cuantice alungite), superrețele și alte structuri.
NW-urile și heterostructurile bazate pe acestea au o serie de proprietăți unice care le deosebesc de alte nanoobiecte și cristale de dimensiuni macro. Mai jos sunt cele mai faimoase dintre ele.
Cele mai multe cristale semiconductoare III-V (de exemplu, GaAs , InAs , InP și altele ), în stare normală, au o structură cristalină de blendă de zinc ( sfalerită ), în timp ce doar câteva dintre ele, de exemplu, compuși cu nitrură (GaN, AlN), au o structură hexagonală wurtzite . O caracteristică a structurii cristaline NW este faptul că poate avea atât forme de blendă de zinc, cât și forme de wurtzită, în funcție de condițiile de creștere a cristalului [1] . Mai mult decât atât, un NV conține adesea zone diferite cu structuri de ambele tipuri. În acest caz, folosind metodele de spectroscopie fotoluminiscentă , se poate observa așa-numita recombinare a celui de-al doilea tip, atunci când purtătorii de sarcină dintr-o zonă se recombină cu purtătorii din altă zonă, datorită cărora radiația are loc cu o energie mai mică decât banda interzisă. . În general, proprietățile materialelor cu structură cristalină de wurtzită sunt destul de diferite de cele ale unui material cu structură de amestec de zinc, ceea ce conferă semiconductorilor NW o serie de proprietăți care nu sunt caracteristice acestui material în stare obișnuită. De exemplu, materialele cu o structură cristalină de wurtzită, de regulă, au constante piezoelectrice mari, ceea ce determină existența câmpurilor piezoelectrice încorporate în heterostructurile NW, care, în cazul heterostructurilor NW, pot duce la efectul Stark de dimensiune cuantică. [15] .
Datorită formei lor unidimensionale și caracteristicilor structurii cristaline, NW au o anizotropie netrivială a polarizării radiațiilor . Studiile NW prin spectroscopie micro-fotoluminiscentă arată că, pe de o parte, din punctul de vedere al opticii clasice, emisia și absorbția la lungimi de undă care depășesc diametrul NW se vor produce în principal pentru unde polarizate paralel cu axa principală a NW, deoarece undele perpendiculare pe acesta vor fi suprimate datorită diferenței constantelor dielectrice ale NW-urilor și aerului [13] . Pe de altă parte, calculul nivelurilor cuantice în semiconductori cu o structură cristalină de wurtzită arată că radiația ar trebui să apară perpendicular pe axa de creștere a cristalului de wurtzit, ceea ce se observă experimental când se compară radiația probelor NW cu ambele tipuri de structuri cristaline [16] . În plus, o serie de alți factori pot afecta, de asemenea, polarizarea NW și NW a heterostructurilor [13] . Astfel, anizotropia de polarizare în aceste nanostructuri este o problemă complexă.
În procesul de creștere epitaxială a cristalelor pe suprafața cristalelor dintr-un alt material, problema stresului mecanic apare din cauza nepotrivirii rețelelor cristaline constante ale acestor materiale. Nepotrivirile mari duc la apariția unor luxații neadaptate . O proprietate unică a heterostructurilor bazate pe NW este relaxarea tensiunilor elastice pe suprafața laterală a NW, ceea ce face posibilă crearea heterostructurilor fără defecte cu o nepotrivire mai mare decât în cazul structurilor plane. Posibila nepotrivire a constantelor rețelei, în acest caz, va fi invers proporțională cu raza NV [1] . Oricum ar fi, tensiunile reziduale pot duce la efecte piezoelectrice în NW cu structura cristalină de wurtzită [15] .
NW este un material relativ nou, iar din 2014 nu are nicio aplicație industrială. Oricum ar fi, multe aplicații potențiale ale NW au fost demonstrate în diferite domenii ale electronicii și medicinei. În special, au fost făcute numeroase încercări de a demonstra diferitele posibilități de utilizare a NW-urilor în domeniul fotovoltaicului pentru a crea celule solare [17] . În plus, NW-urile pot găsi aplicații în dispozitivele termoelectrice [18] și piezoelectrice [19] . NW-urile pot fi folosite pentru a crea diverse dispozitive electronice, cum ar fi joncțiuni pn și tranzistoare [20] . Au fost efectuate numeroase lucrări care studiază NW-urile ca element activ al nanosenzorilor pentru diagnosticarea expresă a diferitelor obiecte chimice și biologice, în special viruși [1] . Proprietățile optice ale NW-urilor și heterostructurilor bazate pe acestea pot fi utilizate pentru diverse aplicații de emitere și detecție a luminii [21] . În special, pe baza NW-urilor, au fost demonstrate posibilitățile de a construi lasere , surse de radiații pentru transmiterea semnalului, fotodetectoare, LED-uri și alte dispozitive optice. În acest sens, a fost demonstrat randamentul cuantic al heterostructurilor pe NW, comparabil cu valorile pentru analogii planari [14] .