Whiskerový nanokrystal (NNC), často nazývaný také nanowhisker (z anglického nanowhisker ) nebo nanotread , nanowire (z anglického nanowires ), stejně jako nanorod ( angl. nanorod ) je jednorozměrný nanomateriál , jehož délka výrazně převyšuje ostatní rozměry, které zase nepřesahují několik desítek nanometrů .
Existují různé typy NW, včetně kovových (například Ni , Au a další), polovodičových (například z Si , InP , GaN a dalších), molekulárních (skládajících se z molekulárních jednotek organického nebo anorganického původu) a ostatní.
Formálně vzato existuje určitý rozdíl mezi koncepty nanowhiskerů a například nanodrátů , protože v prvním případě se obvykle myslí relativně krátké krystalové struktury o délce několika mikrometrů a v druhém případě extrémně dlouhé nanostruktury. , doslova připomínající drát. V ruskojazyčné vědecké literatuře se zpravidla používá termín vousy (NNC) nebo nanowhiskers [ 1] . Slovník pojmů nanotechnologie poskytuje různé popisy pojmů nanotread a nanowhisker . Je třeba poznamenat, že koncept nanoruly se výrazně liší od jiných konceptů, protože z něj vyplývá, že délka předmětu jen několikanásobně překračuje jeho průměr, a ve vědecké literatuře je nanorodička také často chápána jako NW s průměr přesahující 100–200 nm. Jinými slovy, nanorody znamenají nanoobjekty, které doslova připomínají krátkou tyčinku, nanovlákna připomínají dlouhá vlákna a nanovlákna jsou něco mezi tím. Ať je to jakkoli, všude lze nalézt extrémně nejednoznačné použití všech těchto termínů, což může znamenat krátké i dlouhé jednorozměrné nanostruktury. Pojmy NW a jednorozměrná nanostruktura jsou tedy svým způsobem nejobecnější. Všechny tyto termíny by neměly být zaměňovány s pojmem nanotrubice .
Existuje několik zásadně odlišných mechanismů pro získávání jednorozměrných nanostruktur, které lze rozdělit na metody získávání volných struktur (například mechanismus růstu „pára-kapalina-krystal“) a pomocí metod planární technologie a také na některé další.
Nejběžnějším mechanismem růstu polovodičových NW je mechanismus pára-kapalina-krystal [1] , který byl prokázán již v roce 1964 [2] . V této metodě se epitaxní růst NW provádí chemickou depozicí z plynné fáze nebo epitaxí molekulárního paprsku .
Za tímto účelem se na povrch substrátu nejprve nanese tenký film zlata, který hraje roli katalyzátoru , poté se teplota v komoře zvýší a zlato vytvoří pole kapek. Dále jsou dodávány komponenty pro růst polovodičového materiálu, například prvky In a P pro růst InP NW. Účinek aktivace částicemi katalyzátoru je ten, že růst na povrchu pod kapkou nastává mnohonásobně rychleji než na neaktivovaném povrchu, takže kapka katalyzátoru stoupá nad povrch a pod ní roste whisker.
Někdy se k vytvoření jednorozměrných nanoobjektů, kterým se také říká NW nebo nanodrátky, používají metody planární technologie. Například na povrchu se pomocí fotolitografie a leptání vytvoří svislé drážky [3] nebo drážky ve tvaru V [4] , do kterých se materiál ukládá. Materiál, který se shromažďuje v těchto drážkách nebo drážkách, tvoří jakoby jednorozměrné nanostruktury ve vertikálním nebo horizontálním směru. Další metodou pro získání jednorozměrných nanostruktur je, že se na substrátu SOI pomocí metod foto a elektronové litografie vytvoří maskovací vrstva se vzorem požadovaného NW. Dále je přes tuto vrstvu povrchová vrstva křemíku odleptána a na izolátoru zůstávají pouze křemíkové NW. V některých případech je izolant také vyleptán zespodu SZ a zanechává volné nanostruktury [5] .
Nejjednodušší metodou pro získání NW oxidu kovu je obvyklé zahřívání kovů na vzduchu [6] a lze jej snadno provést doma. Růstové mechanismy jsou známy již od 50. let 20. století [7] . Spontánní tvorba NW nastává pomocí defektů krystalové mřížky: dislokací přítomných v určitých směrech [8] nebo růstové anizotropie různých ploch krystalů . Po pokroku v mikroskopii byl prokázán růst NW pomocí šroubových dislokací [9] [10] nebo hranic dvojčat [11] .
Kromě výše uvedených metod existují i takové metody získávání NW, jako je mechanismus pára-krystal-krystal, růst krystalů bez použití externího katalyzátoru (samokatalyzovaný růst) [12] , selektivní epitaxe a některé jiné metody [1] .
NW mohou být pěstovány z jednoho materiálu nebo sestávají ze dvou nebo více vrstev různých materiálů pěstovaných jedna na druhé (například InAs/InP) [13] . V tomto případě se hovoří o heterostruktuře založené na NW. Pro získání heterostruktur na bázi NW se během procesu epitaxního růstu krystalů v určitém okamžiku zastaví přísun prvků jedné látky a začne přísun jiné, takže se v matrici vytvoří vrstvy nového materiálu. předchozí.
Existují dva hlavní typy heterostruktur založených na NW: axiální, kdy jsou tenké vrstvy různých materiálů umístěny napříč osou růstu krystalů, a radiální, kdy jeden materiál obklopuje druhý [14] . Z hlediska tvaru se mezi heterostrukturami založenými na NW rozlišují kvantové tečky , axiální a radiální kvantové jámy , kvantové tyče (protáhlé kvantové tečky), supermřížky a další struktury.
NW a heterostruktury na nich založené mají řadu jedinečných vlastností, které je odlišují od jiných nanoobjektů a krystalů makro velikosti. Níže jsou uvedeny nejznámější z nich.
Většina krystalů polovodičů III-V (například GaAs , InAs , InP a další ) má v normálním stavu krystalickou strukturu směsi zinku ( sfaleritu ), zatímco jen několik z nich, například nitridové sloučeniny (GaN, AlN), mají hexagonální strukturu wurtzit . Charakteristickým rysem krystalové struktury NW je skutečnost, že může mít jak zinkovou směs, tak formu wurtzit v závislosti na podmínkách růstu krystalů [1] . Navíc jeden SZ často obsahuje různé zóny se strukturami obou typů. V tomto případě lze pomocí metod fotoluminiscenční spektroskopie pozorovat tzv. rekombinaci druhého typu, kdy se nosiče náboje z jedné zóny rekombinují s nosiči z jiné zóny, díky čemuž dochází k záření s energií menší než je zakázaný pás. . Celkově jsou vlastnosti materiálů s krystalovou strukturou wurtzitu zcela odlišné od vlastností materiálu se strukturou zinkové směsi, která propůjčuje polovodičovým NW řadu vlastností, které nejsou pro tento materiál v běžném stavu charakteristické. Například materiály s krystalovou strukturou wurtzitu mají zpravidla velké piezoelektrické konstanty, což určuje existenci zabudovaných piezoelektrických polí v NW heterostrukturách, což v případě NW heterostruktur může vést ke Starkově jevu kvantové velikosti [15] .
Díky svému jednorozměrnému tvaru a vlastnostem krystalové struktury mají NW netriviální anizotropii polarizace záření . Studie NW pomocí mikrofotoluminiscenční spektroskopie ukazují, že na jedné straně z pohledu klasické optiky bude k emisi a absorpci na vlnových délkách přesahujících průměr NW docházet především u vln polarizovaných rovnoběžně s hlavní osou NW, neboť vlny na něj kolmé budou potlačeny v důsledku rozdílu dielektrických konstant NWs a vzduchu [13] . Na druhou stranu výpočet kvantových hladin v polovodičích s krystalovou strukturou wurtzitu ukazuje, že záření by se mělo vyskytovat kolmo k ose růstu wurtzitových krystalů, což je pozorováno experimentálně při srovnání záření NW vzorků s oběma typy krystalových struktur [16] . Polarizaci SZ a SZ heterostruktur může navíc ovlivnit i řada dalších faktorů [13] . Polarizační anizotropie v těchto nanostrukturách je tedy komplexní problém.
V procesu epitaxního růstu krystalů na povrchu krystalů jiného materiálu vzniká problém mechanického namáhání v důsledku nesouladu konstantních krystalových mřížek těchto materiálů. Velké neshody vedou ke vzniku chybných dislokací . Jedinečnou vlastností heterostruktur na bázi NW je relaxace elastických napětí na bočním povrchu NW, což umožňuje vytvářet bezdefektové heterostruktury s větším nesouladem než v případě plošných struktur. Možný nesoulad mřížkových konstant bude v tomto případě nepřímo úměrný poloměru SZ [1] . Ať je to jakkoli, zbytková napětí mohou u NW s krystalovou strukturou wurtzitu vést k piezoelektrickým efektům [15] .
NW je relativně nový materiál a od roku 2014 nemá žádné průmyslové využití. Ať je to jakkoli, mnoho potenciálních aplikací NW bylo prokázáno v různých oblastech elektroniky a medicíny. Zejména byly učiněny četné pokusy demonstrovat různé možnosti využití NW v oblasti fotovoltaiky k vytvoření solárních článků [17] . Kromě toho mohou NW najít uplatnění v termoelektrických [18] a piezoelektrických [19] zařízeních. NW lze použít k vytvoření různých elektronických zařízení, jako jsou pn přechody a tranzistory [20] . Byla provedena řada prací, které studují NW jako aktivní prvek nanosenzorů pro expresní diagnostiku různých chemických a biologických objektů, zejména virů [1] . Optické vlastnosti NW a na nich založené heterostruktury lze využít pro různé aplikace vyzařování a detekce světla [21] . Na základě NW byly demonstrovány zejména možnosti konstrukce laserů , zdrojů záření pro přenos signálu, fotodetektorů, LED a dalších optických zařízení. V tomto ohledu byl prokázán kvantový výtěžek heterostruktur na NW, srovnatelný s hodnotami pro planární analogy [14] .