(Phys.org) —Quando uma equipe de engenheiros da Universidade de Illinois começou a cultivar nanofios de um semicondutor composto no topo de uma folha de grafeno, eles não esperavam descobrir um novo paradigma de epitaxia.

Os fios automontados têm um núcleo de uma composição e uma camada externa de outra, uma característica desejada para muitas aplicações eletrônicas avançadas. Liderado pelo professor Xiuling Li, em colaboração com os professores Eric Pop e Joseph Lyding, todos os professores de engenharia elétrica e da computação, a equipe publicou suas descobertas no jornal Nano Letras .

Nanofios, minúsculas cordas de material semicondutor, têm grande potencial para aplicações em transistores, células solares, lasers, sensores e muito mais.

"Os nanofios são realmente os principais blocos de construção de futuros nano dispositivos, "disse o pesquisador de pós-doutorado Parsian Mohseni, primeiro autor do estudo. "Nanofios são componentes que podem ser usados, com base no material de onde você os cultiva, para qualquer aplicação de eletrônica funcional. "

O grupo de Li usa um método chamado epitaxia de van der Waals para cultivar nanofios de baixo para cima em um substrato plano de materiais semicondutores, como o silício. Os nanofios são feitos de uma classe de materiais chamada III-V (três a cinco), semicondutores compostos que são particularmente promissores para aplicações envolvendo luz, como células solares ou lasers.

O grupo relatou anteriormente o crescimento de nanofios III-V em silício. Embora o silício seja o material mais amplamente usado em dispositivos, ele tem uma série de deficiências. Agora, o grupo desenvolveu nanofios do material arsenieto de gálio e índio (InGaAs) em uma folha de grafeno, uma folha de carbono com 1 átomo de espessura com propriedades físicas e condutoras excepcionais.

Graças à sua magreza, o grafeno é flexível, enquanto o silício é rígido e quebradiço. Também conduz como um metal, permitindo o contato elétrico direto com os nanofios. Além disso, é barato, descascado de um bloco de grafite ou crescido a partir de gases de carbono.

"Uma das razões pelas quais queremos crescer em grafeno é ficar longe de substratos espessos e caros, "Mohseni disse." Cerca de 80 por cento do custo de fabricação de uma célula solar convencional vem do próprio substrato. Acabamos com isso usando apenas o grafeno. Não existem apenas benefícios de custo inerentes, também estamos introduzindo funcionalidades que um substrato típico não possui. "

Os pesquisadores bombeiam gases contendo gálio, índio e arsênico em uma câmara com uma folha de grafeno. Os nanofios se auto-montam, crescendo por si mesmas em um tapete denso de fios verticais em toda a superfície do grafeno. Outros grupos desenvolveram nanofios em grafeno com semicondutores compostos que têm apenas dois elementos, mas usando três elementos, o grupo de Illinois fez uma descoberta única:os fios InGaAs cultivados em grafeno segregam espontaneamente em um núcleo de arsenieto de índio (InAs) com um invólucro InGaAs ao redor do lado externo do fio.

"Isso é inesperado, "Li disse." Muitos dispositivos requerem uma arquitetura core-shell. Normalmente você cresce o núcleo em uma condição de crescimento e muda as condições para fazer crescer a casca do lado de fora. Isso é espontâneo, feito em uma etapa. A outra coisa boa é que, uma vez que é uma segregação espontânea, produz uma interface perfeita. "

Então, o que causa essa estrutura de núcleo-casca espontânea? Por coincidência, a distância entre os átomos em um cristal de InAs é quase a mesma que a distância entre números inteiros de átomos de carbono em uma folha de grafeno. Então, quando os gases são canalizados para a câmara e o material começa a cristalizar, InAs se instala no grafeno, um ajuste quase perfeito, enquanto o composto de gálio se deposita na parte externa dos fios. Isso foi inesperado, porque normalmente, com epitaxia de van der Waals, as respectivas estruturas cristalinas do material e do substrato não deveriam ter importância.

"Nós não esperávamos isso, mas uma vez que vimos, fazia sentido, "Disse Mohseni.

Além disso, ajustando a proporção de gálio para índio no coquetel de semicondutores, os pesquisadores podem ajustar as propriedades ópticas e condutoras dos nanofios.

Próximo, O grupo de Li planeja fazer células solares e outros dispositivos optoeletrônicos com seus nanofios cultivados com grafeno. Graças à composição ternária dos fios e à flexibilidade e condutividade do grafeno, Li espera integrar os fios em um amplo espectro de aplicações.

"Basicamente, descobrimos um novo fenômeno que confirma que o registro conta na epitaxia de van der Waals, "Li disse.