材料科学者はナノワイヤーに「踊る」方法を教えます

IBMトーマスJワトソンリサーチセンター（ニューヨーク州ウエストチェスター郡の森に隠れている）の1階にあるわかりにくい通路にある実験室に隠れている超高真空電子顕微鏡には、科学者が物理学を解き放つのに役立つ多くの手がかりがあります。それはナノスケールの寸法で起こります。このような小さなサイズで材料がどのように動作するかを理解することで、科学界は将来の新しい電子デバイスに対する想像力を開くことができます。電子顕微鏡は農場のように機能しますが、成長するオブジェクトは、お気に入りの野菜を育てる代わりに、ナノワイヤーです。半導体材料でできた非常に細いが長い結晶で、それぞれに固有の電子特性があります。

成長は、触媒金属の液滴で構成された小さな「シード」から始まり、科学者はそれをシリコンの平らな「フィールド」に振りかけます。適切な成分（熱と特殊ガス）が供給されると、各種子はナノワイヤーの成長を開始します。しかし、成長が地下で始まる実際の農場とは異なり、ここではシード液滴がナノワイヤの先端に留まり、成長が先端でのみ発生するようにします。その結果、真上に成長する細長い結晶の森ができあがります。実験の新たなひねりで、チームは、電界をオンにすると、液滴を横に引っ張ったり、垂直に伸ばしたりできることを示しました。この小さな「ダンス」または「ストレッチ」の動きにより、成長する結晶はそれに応じて方向を変えます。ナノワイヤ成長の電界制御は新しいフロンティアであり、新しいタイプの電子デバイスに統合できるカスタマイズされたナノ構造を構築するための扉を開きます。

フランシス・ロス博士が率いるIBMの科学者は、ケンブリッジ大学、ペンシルベニア大学、デンマーク工科大学と共同で、最新の「電界による触媒液滴の変形によるナノワイヤの成長の制御」の結果を発表しました。 Nature Communications の発行 今週（DOI：10.1038 / NCOMMS12271）。

ナノワイヤを成長させるエレガントな液滴媒介プロセスを制御するために、チームはすでに多くの簡単なトリックを試しました：成長中の温度、圧力、ガスの混合、および触媒材料の変更。 「ここでやりたかったのは、新しいノブを回して、どのような構造になるかを確認することでした。追加したノブは、成長中にサンプルに電圧を印加することによって作成した電界です。フィールドのオンとオフを切り替えると、各液滴が変形し、ナノワイヤの成長がそれに追随するように変化するのを見ることができました」と、IBMResearchの材料科学者であるRossは述べています。

これが、チームが顕微鏡で成長実験を行った理由です。電界をオンにすると、ナノワイヤが動くのをすぐに見ることができました。顕微鏡は成長するナノワイヤーを50,000倍に拡大し、毎秒30枚の画像を記録し、分析するための十分なデータを提供します。

「電場は、触媒液滴が電場内の他の金属と同じように振る舞い、電場の方向に引っ張られることを知っていたので、試してみる価値があるように見えました」とロスは言いました。 「これらの実験で特に興味をそそられたのは、液滴の位置の変化がナノワイヤの先端での成長に影響を与える方法でした。」

研究の興味深い副産物は、液滴の表面張力を測定できることでした。表面張力は、ガラス上の水滴などの液滴を球形に保つ皮膚です。表面張力の正確な値は、ナノワイヤの成長を予測するコンピュータモデルを開発するための基本的な要件です。

「私たちは常に、特定の特性を持つ結晶を成長させるための最良の方法を探しています。私たちは、温度や圧力を変えることで何が得られるかを知っています。興味深い、有用なナノワイヤーですが、常に垂直に成長しています。電界によって、ワイヤーを横方向または斜めに成長させる方法がついにできました。これにより、3次元構造を形成できます」とRoss氏は付け加えました。

「ダンス」ナノワイヤーのアプリケーション

現代の電子機器は、計算能力とデータ容量を改善し、新しい機能を実装するために、増え続ける材料のポートフォリオを使用しています。角度の付いた、またはねじれたナノワイヤは、特に信頼性の高い方法で製造できる場合、材料のレパートリーを拡大する可能性があります。これらは、デバイスが回路内の異なるコンポーネント間の電気的接続を必要とする相互接続として役立つ可能性があります。それらは、新しいタイプのIoTセンサーを可能にするか、プローブとして使用される可能性があります。たとえば、V字型のプローブを生きている細胞に突き刺して、細胞の小さな電気信号を監視することができます。 「T」または「X」の文字のような形をした他のナノワイヤーにも興味深い用途があります。これらの「文字」を磁場に置き、さまざまな脚に電圧を印加して電流を測定すると、物理学の基本的な理論をテストするのに役立ちます。これらの理論は、半導体材料の特殊な励起の振る舞いを支配するため、厄介です。しかし、それらはおそらく実際にも関連しているでしょう。励起は、現在の設計の制限のいくつかを回避する方法で、量子コンピューターに情報を保存する手段を提供する可能性があります。踊りながら伸びる液滴で成長したナノワイヤーは、この道に沿った最初のステップかもしれません。

360度の超高真空電子顕微鏡