En whisker nanokristall (NNC), ofta även kallad nanowhisker (av engelska nanowhisker ) eller nanotråd , nanotråd (av engelska nanowires ), samt en nanorod ( eng. nanorod ) är ett endimensionellt nanomaterial , vars längd avsevärt överstiger de andra dimensionerna, som i sin tur inte överstiger flera tiotals nanometer .
Det finns olika typer av NW, inklusive metalliska (till exempel Ni , Au och andra), halvledare (till exempel från Si , InP , GaN och andra), molekylära (som består av molekylära enheter av organiskt eller oorganiskt ursprung) och andra.
Formellt sett finns det en viss skillnad mellan begreppen nanowhiskers och till exempel nanotrådar , eftersom man i det första fallet vanligtvis menar relativt korta kristallstrukturer med en längd på flera mikrometer och i det senare avses extremt långa nanostrukturer. , bokstavligen liknar en tråd. I den ryskspråkiga vetenskapliga litteraturen används som regel termen whiskers (NNCs) eller nanowhiskers [1] . Ordlistan för nanoteknologiska termer ger olika beskrivningar av termerna nanotråd och nanowhisker . Det bör noteras att begreppet nanorod skiljer sig väsentligt från andra begrepp, eftersom det innebär att längden på ett föremål överstiger dess diameter med endast ett fåtal gånger, och i den vetenskapliga litteraturen förstås en nanorod också ofta som en NW med en diameter som överstiger 100–200 nm. Med andra ord betyder nanorods nanoobjekt som bokstavligen liknar en kort stav, nanotrådar liknar långa trådar och nanowhiskers är något mittemellan. Hur som helst, extremt tvetydig användning av alla dessa termer kan hittas överallt, vilket kan betyda både korta och långa endimensionella nanostrukturer. Således är termerna NW och endimensionell nanostruktur på något sätt de mest generella. Alla dessa termer bör inte förväxlas med begreppet ett nanorör .
Det finns flera fundamentalt olika mekanismer för att erhålla endimensionella nanostrukturer, som kan delas in i metoder för att erhålla fria strukturer (till exempel tillväxtmekanismen "ånga-vätskekristall") och använda plana teknikmetoder , såväl som några andra.
Den vanligaste mekanismen för tillväxten av halvledar NW är ång-vätske-kristallmekanismen [1] , som demonstrerades redan 1964 [2] . I denna metod utförs den epitaxiella tillväxten av NWs genom kemisk ångavsättning eller molekylär strålepitaxi .
För att göra detta deponeras först en tunn film av guld på ytan av substratet, som spelar rollen som en katalysator , varefter temperaturen i kammaren stiger och guld bildar en rad droppar. Därefter tillförs komponenter för tillväxt av ett halvledarmaterial, till exempel element In och P för tillväxt av InP NW. Effekten av aktivering av katalysatorpartiklar är att tillväxten på ytan under droppen sker många gånger snabbare än på den icke-aktiverade ytan, så katalysatordroppen stiger över ytan och växer ett morrhår under.
Ibland används planteknologiska metoder för att skapa endimensionella nanoobjekt, som också kallas NW eller nanotrådar. Till exempel, på ytan, med hjälp av fotolitografi och etsningsmetoder , skapas vertikala spår [3] eller V-formade spår [4] , i vilka materialet avsätts. Genom att samlas i dessa räfflor eller räfflor bildar materialet så att säga endimensionella nanostrukturer i vertikal respektive horisontell riktning. En annan metod för att erhålla endimensionella nanostrukturer är att på SOI - substratet, med hjälp av foto- och elektronlitografimetoder , skapas ett maskskikt med ett mönster av önskat NW. Vidare etsas ytskiktet av kisel bort genom detta skikt och lämnar endast kisel NW på isolatorn. I vissa fall etsas isolatorn också ut under NW, vilket lämnar fria nanostrukturer [5] .
Den enklaste metoden för att erhålla NWs av metalloxid är den vanliga uppvärmningen av metaller i luft [6] och kan enkelt göras hemma. Tillväxtmekanismer har varit kända sedan 1950 -talet [7] . Spontan bildning av NW sker med hjälp av kristallgitterdefekter: dislokationer närvarande i vissa riktningar [8] eller tillväxtanisotropi av olika kristallytor . Efter framsteg i mikroskopi har tillväxten av NWs med hjälp av skruvdislokationer [9] [10] eller tvillinggränser [11] påvisats .
Utöver ovanstående metoder finns det också sådana metoder för att erhålla NW, såsom ång-kristall-kristall-mekanismen, kristalltillväxt utan användning av en extern katalysator (självkatalyserad tillväxt) [12] , selektiv epitaxi och vissa andra metoder [1] .
NW kan odlas från ett material eller bestå av två eller flera lager av olika material som odlas ovanpå varandra (till exempel InAs/InP) [13] . I det här fallet talar man om en heterostruktur baserad på NW. För att erhålla heterostrukturer baserade på NW, under processen med epitaxiell kristalltillväxt, vid ett visst ögonblick, stoppas tillförseln av element av ett ämne och tillförseln av ett annat börjar, så att lager av ett nytt material bildas i matrisen av den föregående.
Det finns två huvudtyper av heterostrukturer baserade på NW: axiell, när tunna lager av olika material är placerade tvärs över kristalltillväxtaxeln, och radiella, när ett material omger ett annat [14] . När det gäller form, bland heterostrukturer baserade på NWs, urskiljs kvantprickar , axiella och radiella kvantbrunnar , kvantstavar (förlängda kvantprickar), supergitter och andra strukturer.
NW och heterostrukturer baserade på dem har ett antal unika egenskaper som skiljer dem från andra nanoobjekt och kristaller i makrostorlek. Nedan är de mest kända av dem.
De flesta halvledar-III-V-kristaller (till exempel GaAs , InAs , InP och andra ) har i normalt tillstånd en kristallstruktur av zinkblandning ( sfalerit ), medan endast ett fåtal av dem, till exempel, nitridföreningar (GaN, AlN), har en hexagonal struktur wurtzite . En egenskap hos kristallstrukturen i NW är det faktum att den kan ha både zinkblandning och wurtzite, beroende på kristalltillväxtförhållandena [1] . Dessutom innehåller en NV ofta olika zoner med strukturer av båda typerna. I det här fallet, med hjälp av metoderna för fotoluminescent spektroskopi , kan man observera den så kallade rekombinationen av den andra typen, när laddningsbärare från en zon rekombinerar med bärare från en annan zon, på grund av vilken strålning uppstår med en energi som är mindre än bandgapet . På det hela taget skiljer sig egenskaperna hos material med kristallstruktur av wurtzit helt från egenskaperna hos ett material med en zinkblandningsstruktur, vilket ger halvledare NW med ett antal egenskaper som inte är karakteristiska för detta material i det vanliga tillståndet. Till exempel har material med en wurtzitkristallstruktur som regel stora piezoelektriska konstanter, vilket bestämmer förekomsten av inbyggda piezoelektriska fält i NW-heterostrukturer, vilket i fallet med NW-heterostrukturer kan leda till Stark-effekten i kvantstorlek [15] .
På grund av sin endimensionella form och egenskaper hos kristallstrukturen har NWs en icke-trivial anisotropi av strålningspolarisation . Studier av NW med mikrofotoluminescent spektroskopi visar att å ena sidan, ur klassisk optiks synvinkel, kommer emission och absorption vid våglängder som överstiger NWs diameter huvudsakligen att inträffa för vågor som är polariserade parallellt med NWs huvudaxel, eftersom vågor vinkelräta mot den kommer att undertryckas på grund av skillnaden i dielektriska konstanter för NWs och luft [13] . Å andra sidan visar beräkningen av kvantnivåer i halvledare med en wurtzite kristallstruktur att strålning bör ske vinkelrätt mot wurtzite kristalltillväxtaxeln, vilket observeras experimentellt när man jämför strålningen från NW-prover med båda typerna av kristallstrukturer [16] . Dessutom kan ett antal andra faktorer också påverka polariseringen av NWs och NWs av heterostrukturer [13] . Således är polarisationsanisotropin i dessa nanostrukturer ett komplext problem.
I processen med epitaxiell tillväxt av kristaller på ytan av kristaller av ett annat material, uppstår problemet med mekanisk spänning på grund av missanpassningen av de konstanta kristallgittren i dessa material. Stora felmatchningar leder till uppkomsten av misspassade dislokationer . En unik egenskap hos heterostrukturer baserade på NW är avslappningen av elastiska spänningar på laterala ytan av NW, vilket gör det möjligt att skapa defektfria heterostrukturer med en större missanpassning än i fallet med plana strukturer. Den möjliga missanpassningen av gitterkonstanterna, i detta fall, kommer att vara omvänt proportionell mot NW-radien [1] . Hur som helst, kvarvarande spänningar kan leda till piezoelektriska effekter i NWs med wurtzite-kristallstrukturen [15] .
NW är ett relativt nytt material och har från och med 2014 ingen industriell tillämpning. Hur som helst, många potentiella tillämpningar av NW har visats inom olika områden av elektronik och medicin. I synnerhet har många försök gjorts för att demonstrera de olika möjligheterna att använda NWs inom solcellsområdet för att skapa solceller [17] . Dessutom kan NW hitta tillämpningar i termoelektriska [18] och piezoelektriska [19] enheter. NW kan användas för att skapa olika elektroniska enheter, såsom pn-övergångar och transistorer [20] . Många arbeten har utförts som studerar NWs som en aktiv del av nanosensorer för uttrycklig diagnostik av olika kemiska och biologiska föremål, i synnerhet virus [1] . De optiska egenskaperna hos NW och heterostrukturer baserade på dem kan användas för olika ljusemitterande och detekterande tillämpningar [21] . I synnerhet, baserat på NWs, demonstrerades möjligheterna att konstruera lasrar , strålningskällor för signalöverföring, fotodetektorer, lysdioder och andra optiska enheter. I detta avseende demonstrerades kvantutbytet av heterostrukturer på NWs, jämförbart med värdena för plana analoger [14] .