Nanorurka z azotku galu
Nanorurki z azotku galu (GaNNT) to nanorurki z azotku galu . Można je hodować przez chemiczne osadzanie z fazy gazowej (średnice 30–250 nm).
Historia
nanorurki z monokrystalicznego azotku galu zostały zsyntetyzowane przez Peidong Yang i jego zespół badawczy na Wydziale Chemii Uniwersytetu w Berkeley 10 kwietnia 2003 r. Syntezę osiągnięto poprzez początkowe utworzenie nanodrutów z czystych kryształów tlenku cynku na płytce szafirowej poprzez proces, który Yang i jego współpracownicy stworzyli wcześniej, zwany odlewaniem epitaksjalnym. Te nanodruty tlenku cynku zostały następnie użyte jako szablony, na których hodowano kryształy azotku galu przez chemiczne osadzanie z fazy gazowej . Gdy utworzyły się kryształy azotku galu, do płytki szafirowej poddano ciepło, aby umożliwić odparowanie rdzeni nanoprzewodów tlenku cynku. To pozostawiło wydrążone nanorurki z azotku galu, ponieważ azotek galu jest znacznie bardziej stabilnym termicznie materiałem w porównaniu z tlenkiem cynku. Otrzymane nanorurki z azotku galu miały jednorodną długość 2-5 μm i średnicę 30-200 nm.
Struktura i właściwości nanorurek z azotku galu
Ogólny kształt i rozmiar
GaNNT są formą jednowymiarowego materiału analogicznego do znacznie bardziej znanych nanorurek węglowych . Eksperymentalna i teoretyczna analiza GaNNT wykazała, że nanorurki te mogą mieć średnicę 30-250 nm i grubość ścianki 5-100 nm. GaNNT różnią się również sposobem „zwijania” rur. Rolki są klasyfikowane według tego, jak wygina się struktura molekularna i używają formatu (n, m) do określenia, w jaki sposób rura została wygięta do kształtu. Dwie najczęstsze formacje to zygzak, który ma zagięcie (n, 0) i fotel, który ma zagięcie (n, n). Zarówno rozmiar nanorurek, jak i toczenie się nanorurki odgrywają rolę we właściwościach dowolnego GaNNT.
Właściwości strukturalne GaNNT zaczynają się od stałej sieci c komórki elementarnej GaNNT. Stała sieciowa zależy od długości wiązań atomów. Dla kształtu zygzakowatego c = 3 - (długość wiązania), natomiast dla kształtu fotela c = √ 3 - (długość wiązania). Teoretyczna ocena wykazała, że optymalne długości wiązań wynoszą odpowiednio 1,92 angstremów i 1,88 angstremów dla nanorurek zygzakowatych i fotelowych. Ta geometria rury pozostaje stabilna w bardzo szerokim zakresie temperatur, od nieco powyżej 0K do 800K.
Struktura pasma
Pasmo wzbronione GaNNT zależy zarówno od toczenia, jak i rozmiaru konkretnej nanorurki. Stwierdzono, że zygzakowaty GaNNT miałby bezpośrednie pasmo wzbronione, podczas gdy fotel GaNNT miałby pośrednie pasmo wzbronione. Dodatkowo pasmo wzbronione zwiększa się wraz ze wzrostem promienia. Jednakże, podczas gdy dla zygzakowatego GaNNT pasmo wzbronione znacznie by się zwiększyło, pasmo wzbronione fotela GaNNT zwiększyłoby się tylko nieznacznie. Wakat azotu w strukturze, który, choć energetycznie niekorzystny, jest bardziej prawdopodobny niż wakat galu, skutkuje powstaniem pasma zależnego od stanów spinowych elektronów. Pasmo elektronów ze spinem tworzy niewypełnione pasmo powyżej Poziom Fermiego i zwiększa pasmo wzbronione, podczas gdy pasmo dla elektronów rozpędzających się tworzy wypełnione pasmo poniżej poziomu Fermiego i zmniejsza pasmo wzbronione. Ten zależny od spinu podział pasm sprawia, że GaNNT są potencjalnym kandydatem do spintronicznych systemów obliczeniowych.
Mechaniczny
Na właściwości mechaniczne GaNNT wpływa walcowanie nanorurek, chociaż nie jest jasne, czy rozmiar nanorurek również odgrywa rolę. Obliczono, że moduł Younga wynosi 793 GPa dla nanorurki fotelowej (5,5), podczas gdy dla nanorurki zygzakowatej (9,0) obliczono, że wynosi 721 GPa. Dla fotela (5,5) i nanorurek (9,0) inne obliczone wartości obejmują maksymalną wytrzymałość na rozciąganie 4,25 i 3,43 eV/Angstrem, odkształcenie krytyczne 14,6% i 13,3% oraz współczynnik Poissona wyniósł odpowiednio 0,263 i 0,221. Zakłada się, że właściwości dowolnej (n, m) nanorurki pomiędzy nimi miałyby właściwość gdzieś w tych zakresach.
Na właściwości mechaniczne wpływa również temperatura materiału i szybkość odkształcania, której poddawana jest nanorurka. W przypadku temperatury wytrzymałość na rozciąganie GaNNT zmniejsza się w wyższej temperaturze. W wyższych temperaturach więcej cząsteczek ma wystarczającą energię do pokonania energii aktywacji , co powoduje deformację przy niższych odkształceniach. Szybkość odkształcania materiału powoduje zmniejszenie wytrzymałości na rozciąganie, gdy szybkość odkształcania jest mniejsza. Wynika to z faktu, że materiał nie jest stale poddawany ciągłemu naprężeniu, co powoduje, że niektóre miejsca w materiale mają większe naprężenia niż inne. Mniejsza szybkość odkształcania daje GaNNT więcej czasu na wywołanie odpowiednich lokalnych odkształceń, a zatem odkształcenie plastyczne występuje wcześniej. Oznacza to, że mniejsza prędkość odkształcania skutkuje niższą wytrzymałością na rozciąganie.
Synteza
Sześciokątne nanorurki z azotku galu (h-GaN)
Nanorurki z azotku galu (GaN) są formowane głównie na jeden z dwóch sposobów: przy użyciu metody ukierunkowanej na matrycę lub wzrostu w fazie gazowej (VS).
Metoda kierowana szablonem
Metoda szablonowa wykorzystuje sześciokątny nanodrut z tlenku cynku (ZnO) jako szablony. Za pomocą chemicznego osadzania z fazy gazowej cienkie warstwy GaN są osadzane na szablonach, tworząc odlew ze wzrostu epitaksjalnego . Szablony nanoprzewodów ZnO są następnie usuwane przez redukcję termiczną i odparowanie. Analiza z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) pokazuje, że pozostałość ZnO wraz z cienką warstwą porowatego GaN nadal znajduje się w górnej części nanorurek po usunięciu szablonów. Jest to wynikiem uwalniania się cynku i tlenu z matrycy przez porowatą warstwę GaN w początkowych fazach formowania nanorurki. Ta metoda wytworzyła nanorurki h-GaN, które miały głównie jeden otwarty i jeden zamknięty koniec, chociaż znaleziono również rurki z otwartymi obydwoma końcami. Za pomocą spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDS) zaobserwowano, że nanorurki mają stosunek intensywności 1: 1 w galu i azocie. Nanorurki miały ściany o grubości od 5 do 50 nm i średnice wewnętrzne o długości od 30 do 200 nm.
Wzrost oparów stałych
Nanorurki GaN można wytwarzać bez szablonu. Innym sposobem wytwarzania nanorurek h-GaN jest dwuetapowy proces przekształcania tlenku galu(III) (Ga 2 O 3 ) w nanorurki h-GaN. Ta metoda powoduje mniejsze różnice w wielkości i kształcie produkowanych nanorurek. Wytworzone nanorurki mają długość około 10 nm i jednolitą średnicę zewnętrzną około 80 nm oraz grubość ścianki około 20 nm. Ta metoda daje 4-5,0% produktów, co jest oparte na zawartości Ga 2 O 3 .
Sześcienne nanorurki z azotku galu (c-GaN)
Używając proszków Ga 2 O 3 i amoniaku (NH 3 ), nanorurki c-GaN można również syntetyzować bez użycia matrycy w procesie gaz-ciało stałe. Zamiast tego stosuje się proces wysokotemperaturowy bez katalizatora, który wymaga określonych warunków. Jednym z tych warunków była wysoka temperatura. Wzrost nanorurek dla nanorurek c-GaN prowadzono w temperaturze około 1600 stopni Celsjusza (200 stopni wyższej niż warunki wymagane do wzrostu nanorurek h-GaN) i stale ją zwiększano w trakcie całego procesu. Kolejny warunek wymagał, aby natężenia przepływu NH 3 i N 2 może wzrosnąć podczas dwuetapowej reakcji chemicznej wymaganej do wytworzenia nanorurek.
Pierwszy krok wymagał węgla z tygla grafitowego, który reagował z Ga 2 O 3 , tworząc parę Ga 2 O. Następnie para reaguje z NH 3 , tworząc stałe nanocząsteczki GaN, które są wychwytywane w przepływie NH 3 i N 2 . Nanocząstki są następnie transportowane do pieca indukcyjnego o niższej temperaturze, gdzie gromadzą się w grupach na włóknie węglowym i samoorganizują się w prostokątne nanorurki poprzez wzrost oparów i ciał stałych. Większość powstałych nanorurek ma kwadratowy lub prostokątny przekrój poprzeczny i długość od 50 do 150 nm. Stwierdzono, że rurki mają grubość ścianki między 20-50 nm i dłuższe długości kilku mikrometrów.
Przed zastosowaniem tej metody nanokrystality c-GaN były jedynymi nanostrukturami, które można było zsyntetyzować w sześciennej strukturze GaN.
Najnowsze postępy
Produkcja na dużą skalę
M. Jansen i in. opracował tani, szybki i wielkoskalowy proces wytwarzania nanorurek z azotku galu. Osiągnięto to, stosując połączenie litografii i trawienia z góry na dół plazmą sprzężoną indukcyjnie w celu wytworzenia twardej maski trawienia z krzemowej matrycy nanopierścieniowej. Macierz nanopierścieni została następnie umieszczona na powierzchni azotku galu w masie i wytrawiona w celu wytworzenia struktur nanorurek o równych proporcjach.
Integracja mikroczipów
Chu-Ho Lee i jego grupa badawcza na Uniwersytecie Narodowym w Seulu w Korei byli w stanie zsyntetyzować nanorurki z azotku galu domieszkowane indem, które zostały wyprodukowane na podłożach krzemowych . Grupa wykorzystała te nanorurki jako diody elektroluminescencyjne, które emitowały głównie światło w zielonym widmie widzialnym. Ponieważ synteza tych nanorurek opiera się na kontrolowanych parametrach geometrycznych, nanorurki z azotku galu mogą potencjalnie pozwolić na sposoby wytwarzania mikroczipów z większą szybkością przetwarzania poprzez wykorzystanie komunikacji optycznej między chipami i wewnątrz chipów.
Kształt rury i kształt emitowanego światła
Changyi Li i jego zespół badawczy z University of New Mexico niedawno wykazali, że zmieniając geometrię otworów w nanorurkach z azotku galu, zmienia się kształt emitowanego światła, gdy działają one jak diody elektroluminescencyjne . Grupa wykorzystała litografię wiązką elektronów do stworzenia dobrze zdefiniowanych pustych obszarów w kształcie pierścienia w nanorurkach z azotku galu, co ostatecznie doprowadziło do wyemitowania światła w kształcie pierścienia.