Laser nanofio de GaN opticamente bombeado mostrado brilhando em laranja. A saída real do laser é UV (≈370 nm) e invisível a olho nu. O comprimento do nanofio laser é de aproximadamente 10 micrômetros e o diâmetro é de aproximadamente 200 nm. A ponta da sonda de metal no topo da imagem é usada para examinar os efeitos de proximidade nas propriedades de laser do nanofio. Outros nanofios (não laser) também são vistos na imagem.
Os nanofios de nitreto de gálio cultivados por cientistas da PML podem ter apenas alguns décimos de micrômetro de diâmetro, mas eles prometem uma ampla gama de aplicações, de novos diodos emissores de luz e lasers de diodo a ressonadores ultrapequenos, sensores químicos, e pontas de sondas atômicas altamente sensíveis.
Nas duas décadas desde que GaN foi empregado pela primeira vez em um LED comercialmente viável, inaugurando um futuro deslumbrante para iluminação de baixa potência e transistores de alta potência, o semicondutor III-V foi produzido e investigado de várias maneiras, na forma de filme fino e nanofio.
Na Divisão de Eletrônica Quântica e Fotônica da PML em Boulder, CO, muito do esforço recente foi dedicado ao crescimento e à caracterização de nanofios de GaN de altíssima qualidade - "alguns dos melhores, se não for o melhor, no mundo, "diz Norman Sanford, co-líder do projeto Semiconductor Metrology for Energy Conversion.
GaN emite luz quando buracos e elétrons se recombinam em uma junção criada por dopagem do cristal para criar regiões do tipo p e do tipo n. Essas camadas são formadas por uma variedade de métodos de deposição, normalmente em um substrato de safira ou carboneto de silício. Os métodos convencionais produzem cristais com densidades de defeito relativamente altas. Infelizmente, defeitos na rede limitam a emissão de luz, introduzir ruído de sinal, e levar à falha precoce do dispositivo.
A equipe Boulder, por contraste, cresce muito lentamente nanofios de GaN hexagonais sem defeitos a partir de uma base de silício. Seu método de deposição é a epitaxia por feixe molecular (MBE), que permite que os nanofios se formem espontaneamente sem o uso de partículas de catalisador. Embora as partículas de catalisador sejam amplamente utilizadas para o crescimento de nanofios, eles deixam vestígios de impurezas que podem degradar GaN. Demora dois a três dias para que as estruturas atinjam um comprimento de cerca de 10 micrômetros (cerca de um décimo da espessura de um cabelo humano), mas a espera compensa porque a estrutura do cristal é quase perfeita.
Entre outras vantagens, cristais perfeitos produzem mais luz. "Agora, pela primeira vez, a eletroluminescência de um único LED de nanofio GaN é suficientemente brilhante para que possamos medir seu espectro e rastrear o espectro com corrente de acionamento para ver evidências de aquecimento, "diz o co-líder do projeto Kris Bertness." Não há outros exemplos de espectros de eletroluminescência de um único nanofio GaN crescido em MBE na literatura. "
Uma "floresta" de nanofios
GaN e seu sistema de liga relacionado (incluindo semicondutores contendo índio e alumínio) formam a base da indústria de iluminação de estado sólido em rápida expansão. Ele poderia se mover mais rápido, especialistas acreditam, se a indústria pudesse desenvolver um método econômico para cultivar material de baixa densidade de defeitos.
"LEDs convencionais baseados em GaN crescidos em substratos de baixo custo, mas não combinados com treliça (como safira) sofrem de deformação inevitável e defeitos que comprometem a eficiência, "Sanford diz." Além disso, a extração de luz de estruturas convencionais de LED planas (planas) é impedida pela reflexão interna total, resultando em fótons perdidos que ficam presos no dispositivo em vez de irradiar para fora como luz útil. "
A tecnologia de LED de nanofios GaN oferece melhorias significativas, uma vez que os fios crescem essencialmente livres de tensões e defeitos e, portanto, devem permitir dispositivos fundamentalmente mais eficientes. Além disso, a morfologia fornecida por uma "floresta" de LEDs de nanofios densamente dispostos oferece melhorias na eficiência de extração de luz dessas estruturas em comparação com suas contrapartes planas.
Testando e medindo essas e outras propriedades, Contudo, apresenta desafios significativos. "O GaN tipo P é difícil de crescer por qualquer método de crescimento comum, "Bertness diz." E o que acaba sendo muito difícil é fazer bons contatos elétricos com o nanofio, porque não é plano, e sua espessura é maior do que a maioria dos filmes de metal usados para entrar em contato com os filmes planos.
"Esta geometria 3D incentiva a formação de vazios e retenção de impurezas químicas perto dos contatos, ambos degradam o contato, às vezes ao ponto de ser inutilizável. Esta é uma área que estamos investigando ativamente. "
A equipe está procurando maneiras de desenvolver nanofios em matrizes regulares, com controle cuidadoso do espaçamento e dimensões de cada fio individual. Recentemente, eles descobriram que, ao criar um padrão em forma de grade de aberturas da ordem de 200 nanômetros de largura em uma "camada de máscara" de nitreto de silício colocada sobre o substrato, eles poderiam atingir o crescimento seletivo de fios altamente regulares. A capacidade de produzir padrões ordenados de dispositivos GaN uniformes, Bertness diz, "é essencial para uma fabricação confiável."
Estrutura de um nanofio de GaN tipo n crescido por MBE e revestido em uma casca fina de GaN tipo p crescido por epitaxi de fase de vapor de haleto. Crédito:Aric Sanders e Albert Davydov / MML
GaN não é apenas uma fonte de luz. Ele também tem vários usos em diferentes campos. "Outra coisa boa sobre o GaN é que ele é insensível a altas temperaturas, "diz Robert Hickernell, líder do Grupo de Fabricação Optoeletrônica, que inclui o projeto Semiconductor Metrology. "Essa é uma vantagem para aplicações de alta energia elétrica." O Grupo também está estudando transistores de efeito de campo de nanofios (FETs) para medir com precisão as propriedades de transporte da portadora. "E nós temos FETs de nanofios de GaN que são alguns dos melhores dispositivos de pesquisa do mundo."
Além disso, Os nanofios de GaN são mecanicamente robustos. Muito robusto:quatro anos atrás, uma colaboração PML-University of Colorado ganhou as manchetes ao produzir nanofios com fatores de qualidade extraordinariamente altos que os tornam osciladores potencialmente excelentes. "Num futuro distante, "Hickernell diz, “eles podem ser usados em aplicativos de telefones celulares como micro-ressonadores”.
A combinação de alto fator de qualidade mecânica e massa minúscula também os torna capazes de detectar massas na faixa do subattograma. Colaboradores da PML na Universidade do Colorado estão confiantes de que podem extrapolar os experimentos atuais para cerca de 0,01 attogramas, ou sensibilidade de 10 zeptogramas. (Para comparação, a massa de um vírus é da ordem de 1 attograma, ou 10-18 gramas.) Nenhuma medição direta ainda foi feita nessa escala.
No início deste ano, Bertness, Colaboradores de Sanford e CU usaram a piezoresistência nativa do GaN para medir a resposta de frequência em nanofios esticados em um intervalo de 10 micrômetros. Os resultados mostraram que os dispositivos tinham "utilidade imediata em aplicações de detecção de massa e força de alta resolução, "escreveram os pesquisadores em seu relatório publicado.
A equipe acha que é possível fazer "uma nova classe de ferramentas de sondagem multifuncional eletricamente endereçáveis, "Bertness explica." Por exemplo, NSOM convencional depende de uma ponta óptica de varredura com um diâmetro de abertura na faixa de 10 a 100 nanômetros que é formada na extremidade cônica de uma fibra óptica passiva. Essas pontas são mecânica e quimicamente frágeis e têm uma vida útil muito curta - horas a dias. Por outro lado, Ferramentas NSOM baseadas em nanofios de GaN podem oferecer operação multifuncional eletricamente endereçável que combina emissão óptica, detecção óptica, Funcionalidade AFM e RF-AFM. "
Finalmente, Nanofios de GaN também são adequados para uso em produtos químicos, biológico, e detecção de gás. O trabalho colaborativo em andamento entre a equipe e o Laboratório de Medição de Materiais do NIST está produzindo resultados interessantes com nanofios de GaN usados em conjunto com nanoclusters de dióxido de titânio para detectar compostos aromáticos como benzeno e tolueno. "Além disso, nosso projeto fez alguns trabalhos preliminares (publicados) com nanofios de GaN funcionalizados para moléculas biológicas, "Sanford diz." Vários outros grupos ao redor do mundo estão buscando tecnologia de sensor semelhante usando backbones de nanofios de GaN. "
