Ein Nanodraht ist eine Nanostruktur , deren Durchmesser in Nanometern ausgedrückt wird , also im Prinzip von 1 bis 999 Nanometer. Der Einfachheit halber wird ein gewisser Überlauf in diesen Dimensionen toleriert.
Alternativ können Nanodrähte als Strukturen definiert werden, die eine definierte Dicke oder einen definierten Durchmesser, jedoch beliebiger Länge aufweisen. Auf diesen Skalen sind die Quanteneffekte wichtig – daher der Begriff „Quantenfäden“. Es gibt viele Arten von Nanodrähten, einschließlich metallischer Materialien (z. B. Ni , Pt , Au ), Halbleiter (z. B. Si , InP , GaN usw.) oder Dielektrika (z. B. SiO 2, TiO 2) oder selbstaufbauendes Metall/Kunststoff-Gemisch. Die molekularen Nanodrähte sind aus organischen molekularen Einheiten (z. B. der DNA ) oder anorganischen (Mo 6 S 9-x I x ) wiederholt.
Diese nanometrischen Objekte sind für viele technologische (Mikro-/Nanoelektronik, Photovoltaik ) und wissenschaftliche ( Biologie , Physik ) Bereiche von Interesse .
Aufgrund ihres großen Formfaktors werden Nanodrähte manchmal etwas falsch in eindimensionale oder quasi-eindimensionale Strukturen wie Nanoröhren eingeteilt . Wir assoziieren manchmal auch „Nanodrähte“ und „Quantendrähte“, aber ein Draht mit nanometrischer Dimension weist nicht unbedingt Quanteneffekte auf.
Es ist daher ratsam, nicht zu mischen:
Es gibt zwei grundlegende Ansätze zur Entwicklung von Nanodrähten: den Top-Down-Ansatz und den Bottom-Up-Ansatz. Der Top-Down-Ansatz besteht darin, die Struktur in einem Substrat unter Verwendung von Lithographie- und Ätztechniken zu ätzen, die üblicherweise in mikroelektronischen Prozessen verwendet werden. Der Bottom-up-Ansatz besteht vielmehr darin, die Struktur durch Zusammenfügen der Atome, aus denen sie besteht, wachsen zu lassen.
Das VLS-Wachstumsverfahren (für Vapor-Liquid-Solid) ist das am weitesten verbreitete Verfahren zum Züchten von Nanodrähten. Dies geschieht mittels eines flüssigen Katalysators, durch den die Atome der Dampfphase absorbiert werden und zum Substrat diffundieren. Die Keimbildung der Festphase scheint dann an der Grenzfläche zwischen flüssigem Katalysator und Substrat, also in zwei Dimensionen, zu erfolgen. Ein Artikel von Wagner und Ellis (1964) spielt zunächst auf diese Wachstumsmethode an und versucht, das Wachstum von "Nanohiskern" auf Siliziumsubstraten ohne Zuhilfenahme von Versetzungen oder anderen Defekten des Ausgangskristalls zu erklären.
VSS-Wachstum SLS-Wachstum SelbstmontageEin Bottom-up-Ansatz besteht darin, Verbindungen zu verwenden, deren Moleküle sich allein oder unter Einwirkung eines Feldes (elektrische, magnetische, Lichtstrahlung) selbst anordnen. Beispielsweise können Kunststoff- und Metallverbindungen im Licht zwischen Elektroden unter Spannung Nanodrähte bilden.
Mehrere physikalische Gründe sagen voraus, dass die Leitfähigkeit eines Nanodrahts viel niedriger sein wird als die des entsprechenden Basismaterials. Zunächst gibt es eine Streuung von den Grenzen des Drahtes, deren Wirkung sehr groß ist, wenn die Breite des Drahtes kleiner ist als die durchschnittliche freie Weglänge der freien Elektronen des Volumenmaterials. Bei Kupfer beispielsweise beträgt die durchschnittliche freie Weglänge 40 nm. Kupfer-Nanodrähte mit einer Breite von weniger als 40 nm verkürzen die mittlere freie Weglänge bis auf die Breite des Drahtes. Silber-Nanodrähte haben eine ganz andere elektrische und thermische Leitfähigkeit als massives Silber.
Nanodrähte weisen aufgrund ihrer Größe auch andere besondere elektrische Eigenschaften auf. Im Gegensatz zu einwandigen Kohlenstoffnanoröhren, deren Elektronenbewegung unter den ballistischen Transport fallen kann (d. h. Elektronen können sich frei von einer Elektrode zur anderen bewegen), wird die Leitfähigkeit der Nanodrähte stark durch Nebenwirkungen beeinflusst. Die Kanteneffekte kommen von den Atomen, die sich auf der Oberfläche des Nanodrahts befinden und nicht vollständig an benachbarte Atome gebunden sind wie die Atome in der Masse des Nanodrahts. Ungebundene Atome sind oft eine Quelle von Defekten im Nanodraht und können dazu führen, dass der Nanodraht Strom schlechter leitet als das Basismaterial. Wenn die Größe eines Nanodrahts abnimmt, werden die Oberflächenatome zahlreicher als die Atome des Nanodrahts, und die Kanteneffekte werden wichtiger.
Darüber hinaus kann die Leitfähigkeit einer Energiequantisierung unterzogen werden: Das heißt, die Energie von Elektronen, die einen Nanodraht passieren, kann nur diskrete Werte annehmen, die ein Vielfaches des Leitfähigkeitsquantums sind . G = 2e 2 / h (wobei e die Ladung des Elektrons und h die Plancksche Konstante ist . Siehe auch den Quanten-Hall-Effekt ).
Die Leitfähigkeit wird daher als Summe des Transports durch getrennte „Kanäle“ unterschiedlicher quantisierter Energieniveaus beschrieben. Je dünner der Draht, desto weniger Kanäle stehen für den Elektronentransport zur Verfügung.
Diese Quantifizierung wurde demonstriert, indem die Leitfähigkeit eines zwischen zwei Elektroden aufgehängten Nanodrahts beim Ziehen gemessen wurde: Mit abnehmendem Durchmesser nimmt seine Leitfähigkeit allmählich ab und die Plateaus entsprechen Vielfachen von G.
Die Quantifizierung der Leitfähigkeit ist bei Halbleitern wie Si oder GaAs aufgrund der geringeren Elektronendichte und der geringeren effektiven Masse ausgeprägter als bei Metallen und kann bei 25 nm breiten Finnen beobachtet werden und führt zu einer Erhöhung der Schwellenspannung . Konkret bedeutet dies, dass ein MOSFET mit solchen nanoskaligen Siliziumfinnen, wenn er in digitalen Anwendungen verwendet wird, eine höhere Gate-(Steuer-)Spannung benötigt, um den Transistor einzuschalten.
Um die Nanodraht-Technologie in industrielle Anwendungen zu integrieren, entwickelten die Forscher 2008 eine Methode zum Schweißen von Nanodrähten: Ein Opfermetall- Nanodraht wird in der Nähe der Enden der zu montierenden Teile platziert (mit den Manipulatoren eines Rasterelektronenmikroskops ); dann wird ein elektrischer Strom angelegt, der die Enden des Drahtes zusammenführt. Diese Technik ermöglicht das Verschmelzen von Drähten mit einer Größe von nur 10 nm. Für Nanodrähte mit einem Durchmesser von weniger als 10 nm werden bestehende Schweißtechniken, die eine genaue Steuerung des Heizmechanismus erfordern und die Risiken der Verschlechterung mit sich bringen können, nicht praktikabel sein. Wissenschaftler haben kürzlich entdeckt, dass sich monokristalline ultrafeine Gold-Nanodrähte mit einem Durchmesser von ~ 3 bis 10 nm durch einfachen mechanischen Kontakt und unter bemerkenswert niedrigen Anpressdrücken (im Gegensatz zu herkömmlichen Schweißverfahren) in Sekunden „kaltschweißen“ lassen Rahmen). Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie und In-situ- Messungen zeigen, dass die Schweißnähte nahezu perfekt sind, mit der gleichen Kristallorientierung, dem gleichen Widerstand und der gleichen elektrischen Leitfähigkeit wie der Rest des Nanodrahts. Die hohe Qualität der Schweißnähte wird auf die Abmessungen der Probe im Nanobereich, die orientierten Fixierungsmechanismen und die schnelle diffusionsunterstützte mechanisch Oberflächendiffusion zurückgeführt . Nanodrahtschweißungen wurden auch zwischen Gold und Silber und Silbernanodrähten (mit Durchmessern von ~ 5-15 nm) bei einer Temperatur nahe der Raumtemperatur nachgewiesen, was darauf hinweist, dass diese Technik allgemein für ultrafeine Metallnanodrähte anwendbar ist. In Kombination mit anderen Nano- und Mikrofertigungstechnologien werden dem Kaltschweißen potenzielle Anwendungen in der zukünftigen Bottom-up- Montage von eindimensionalen Metallnanostrukturen erwartet .
Nanodrähte können für MOSFETs (MOS -Feldeffekttransistoren ) verwendet werden. Die Moss-Transistoren werden häufig als Konstruktionselemente in aktuellen elektronischen Grundschaltungen verwendet. Wie vom Mooreschen Gesetz vorhergesagt , wird die Größe von MOS- Transistoren zunehmend auf den Nanometerbereich reduziert. Eine der Hauptherausforderungen beim Bau zukünftiger Nano-MOS-Transistoren besteht darin, eine gute Gate-Steuerung über den Kanal sicherzustellen. Wenn das Gate-Dielektrikum um den Nanodrahtkanal gewickelt wird, können wir aufgrund des hohen Seitenverhältnisses eine gute Kontrolle des elektrostatischen Potenzials des Kanals erreichen, wodurch der Transistor effizient ein- und ausgeschaltet werden kann.
Aufgrund seiner einzigartigen eindimensionalen Struktur mit bemerkenswerten optischen Eigenschaften eröffnet der Nanodraht auch neue Möglichkeiten für die Realisierung hocheffizienter Photovoltaik-Bauelemente. Im Vergleich zu ihren Bulk-Gegenstücken sind Nanodraht-Solarzellen aufgrund der Bulk-Rekombination weniger empfindlich gegenüber Verunreinigungen, und daher können Siliziumwafer geringerer Reinheit verwendet werden, um eine akzeptable Ausbeute zu erzielen, was zu einem geringeren Materialverbrauch führt.
Um aktive elektronische Elemente herzustellen, bestand der erste wichtige Schritt darin, einen Halbleiter-Nanodraht chemisch zu dotieren. Dies wurde bereits für einzelne Nanodrähte durchgeführt, um Halbleiter vom p- und n-Typ zu erzeugen.
Der nächste Schritt bestand darin, einen Weg zu finden, einen pn-Übergang herzustellen , eines der einfachsten elektronischen Geräte. Dies ist auf zwei Arten geschehen. Die erste bestand darin, einen p-Typ-Draht physisch über einen n-Typ-Draht zu kreuzen. Die zweite Methode bestand darin, einen einzelnen Draht über seine gesamte Länge chemisch mit verschiedenen Dotierstoffen zu dotieren. Dieses Verfahren ermöglichte es, einen pn-Übergang mit einem einzigen Draht herzustellen.
Nachdem die pn-Übergänge mit Nanodrähten aufgebaut waren, bestand der nächste logische Schritt darin, Logikgatter zu bauen . Durch die Verbindung mehrerer pn-Übergänge konnten die Forscher die Grundlage für alle Logikschaltungen schaffen: UND- , ODER- und NICHT- Gatter wurden alle aus Kreuzen von Halbleiter-Nanodrähten aufgebaut.
Im August 2012 berichteten Forscher, das erste NAND-Gatter aus undotierten Silizium-Nanodrähten konstruiert zu haben . Dadurch kann das nicht gelöste Problem der Präzisionsdotierung komplementärer Nanoschaltungen vermieden werden. Sie waren in der Lage, die Schottky-Barriere zu steuern , um Kontakte mit niedrigem Widerstand zu erzielen, indem sie eine Silizidschicht in die Metall-Silizium-Grenzfläche platzierten.
Halbleiter-Nanodrahtkreuze könnten für die Zukunft des digitalen Computings von Bedeutung sein. Während es andere Anwendungen für Nanodrähte gibt, sind die einzigen, die die Physik im Nanometerbereich tatsächlich nutzen, die Elektronik.
Darüber hinaus werden Nanodrähte auch für den Einsatz als ballistische Photonenwellenleiter als Verbindungen in Quantenpunkt / Quantentopf- Photonenlogik-Arrays untersucht . Photonen bewegen sich in der Röhre, Elektronen bewegen sich auf der äußeren Hülle.
Wenn sich zwei als photonische Wellenleiter wirkende Nanodrähte kreuzen, wirkt der Übergang als Quantenpunkt .
Leitfähige Nanodrähte bieten die Möglichkeit, Einheiten auf molekularer Ebene in einem molekularen Computer zu verbinden. Dispersionen leitfähiger Nanodrähte in verschiedenen Polymeren werden für den Einsatz als transparente Elektroden für flexible Flachbildschirme untersucht.
Aufgrund ihres hohen Elastizitätsmoduls wird ihre Verwendung in mechanisch verbesserten Verbundwerkstoffen untersucht. Da die Nanodrähte gebündelt erscheinen, können sie als tribologische Additive verwendet werden, um die Reibungseigenschaften und die Zuverlässigkeit elektronischer Wandler und Aktoren zu verbessern.
Aufgrund ihres hohen Aspektverhältnisses eignen sich Nanodrähte auch besonders für die dielektrophoretische Manipulation , die einen kostengünstigen Bottom-up-Ansatz zur Integration suspendierter dielektrischer Metalloxid-Nanodrähte in elektronische Geräte wie UV-Sensoren, Wasserdampf und Ethanol bietet.