(PhysOrg.com) - Nanofios semicondutores são materiais essenciais no desenvolvimento de células solares mais baratas e eficientes, bem como baterias com maior capacidade de armazenamento. Além disso, eles são blocos de construção importantes em nanoeletrônica. Contudo, fabricar nanofios semicondutores em escala industrial é muito caro. A principal razão para isso são as altas temperaturas em que são produzidos (600−900 C), bem como o uso de catalisadores caros, como ouro. Cientistas do Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes em Stuttgart, anteriormente o Instituto Max Planck para Pesquisa de Metais, agora foram capazes de produzir nanofios semicondutores cristalinos a uma temperatura muito mais baixa (150 C), usando catalisadores baratos, como o alumínio. Desta maneira, semicondutores nanoestruturados podem até mesmo ser depositados diretamente em substratos plásticos sensíveis ao calor.

Nanofios feitos de semicondutores como silício (Si) ou germânio (Ge) serão indispensáveis ​​para muitas aplicações técnicas no futuro. Até agora, eles foram fabricados usando um processo que foi descrito pela primeira vez em 1964. O chamado mecanismo de vapor-líquido-sólido (VLS) utiliza partículas minúsculas de catalisadores de metal como sementes para o crescimento dos nanofios. As sementes de metal são depositadas em um substrato sólido, derretido e exposto a uma atmosfera de gás contendo silício ou germânio. As gotículas de metal irão, então, absorver átomos semicondutores do gás até que estejam supersaturados, e o excesso de material semicondutor precipita na fronteira com o substrato:um nanofio cresce. Na maioria dos casos, ouro é usado como um catalisador, uma vez que pode dissolver muito silício ou germânio quando fundido. O uso deste catalisador caro e a alta temperatura de processamento de chumbo 600 a 900 ºCelsius, Contudo, a altos custos de produção.

Cientistas de materiais do departamento de Eric Mittemeijer no Instituto Max Planck de Sistemas Inteligentes descobriram agora um método para produzir nanofios semicondutores a uma temperatura surpreendentemente mais baixa de apenas 150 ° C, ao usar catalisadores baratos como o alumínio. Junto com colegas do Centro de Microscopia Eletrônica de Stuttgart, um centro de pesquisa no mesmo Instituto, os cientistas conseguiram observar o crescimento de nanofios em escala atômica em tempo real.

Para este fim, os cientistas prepararam uma camada dupla de alumínio cristalino e silício amorfo. A camada foi produzida em vácuo e à temperatura ambiente usando evaporação térmica. Considerando que os átomos estão desordenados na fase de silício amorfo, eles estão dispostos em uma rede cristalina ordenada na camada de alumínio. Na verdade, a camada de Al é constituída por bilhões de minúsculos cristais de alumínio, cada um deles de tamanho tão pequeno quanto cerca de 50 nanômetros. Os grãos de cristal estão em contato direto uns com os outros. Seus limites formam, portanto, uma rede bidimensional de limites de grãos dentro da camada de alumínio.

Usando microscopia eletrônica de transmissão analítica, os cientistas foram capazes de observar diretamente que os átomos de silício começam a fluir da camada de silício para o catalisador de alumínio a uma temperatura de até 120 ° Celsius. Em temperaturas tão baixas, o catalisador de alumínio é sólido e não pode dissolver nenhum átomo de silício. Investigações microscópicas revelam que os átomos de silício são acomodados nas fronteiras entre os cristais de alumínio. À medida que mais e mais átomos de silício se juntam nos limites dos grãos de alumínio, eles são reestruturados em minúsculos nanofios cristalinos, pois isso reduz a energia total do sistema. Isso produz uma rede de nanofios cristalinos, cujo padrão é determinado com precisão pela rede de contorno de grão de alumínio. Assim, fios finos de 15 nanômetros podem ser produzidos.

Claramente, o mecanismo de crescimento de nanofios descoberto pelos cientistas de materiais em Stuttgart é fundamentalmente diferente do mecanismo de crescimento VLS convencional. Mais impressionante, o novo método de crescimento não requer solubilidade de semicondutor no catalisador de metal e pode, portanto, ser realizado em baixas temperaturas (150 ° Celsius), ao usar catalisadores baratos como o alumínio.

Os principais benefícios do novo método são, portanto, que ele não requer altas temperaturas de substrato ou catalisadores caros. Além disso, os cientistas de materiais podem ajustar o tamanho dos grãos de alumínio e, assim, a forma da rede de contorno de grãos de alumínio, para produzir o padrão desejado de nanofios de silício. O catalisador de Al pode ser facilmente removido por meio de corrosão seletiva. Como os filmes de alumínio têm sido usados ​​em microeletrônica há décadas, sua produção e processamento são amplamente estabelecidos. Outros catalisadores também podem ser adequados para o método. Outra vantagem é que os dispositivos de silício nanoestruturados podem ser cultivados diretamente na maioria dos substratos de plástico, mesmo se forem sensíveis ao calor.