Na fonte de raios-X de DESY, PETRA III, os cientistas acompanharam o crescimento de minúsculos fios de arseneto de gálio vivos. Suas observações revelam detalhes exatos do processo de crescimento responsável pela evolução da forma e da estrutura cristalina dos nanofios cristalinos. As descobertas também fornecem novas abordagens para personalizar nanofios com as propriedades desejadas para aplicações específicas. Os cientistas, liderado por Philipp Schroth da University of Siegen e do Karlsruhe Institute of Technology (KIT), publicou suas descobertas no jornal Nano Letras . O arsenieto de gálio semicondutor (GaAs) é amplamente utilizado em controles remotos infravermelhos, os componentes de alta frequência de telefones celulares e para converter sinais elétricos em luz para transmissão de fibra óptica, bem como em painéis solares para implantação em naves espaciais.

Para fabricar os fios, os cientistas empregaram um procedimento conhecido como método autocatalisado vapor-líquido-sólido (VLS), no qual minúsculas gotículas de gálio líquido são primeiro depositadas em um cristal de silício a uma temperatura de cerca de 600 graus Celsius. Feixes de átomos de gálio e moléculas de arsênio são então direcionados para o wafer, onde eles são adsorvidos e se dissolvem nas gotículas de gálio. Depois de algum tempo, os nanofios cristalinos começam a se formar abaixo das gotículas, pelo qual as gotas são gradualmente empurradas para cima. Nesse processo, as gotículas de gálio atuam como catalisadores para o crescimento longitudinal dos fios. “Embora esse processo já esteja bem estabelecido, não foi possível até agora controlar especificamente a estrutura cristalina dos nanofios produzidos por ele. Para alcançar isto, primeiro precisamos entender os detalhes de como os fios crescem, "diz o co-autor Ludwig Feigl do KIT.

Para observar o crescimento à medida que ocorre, O grupo de Schroth instalou uma câmara experimental móvel, especialmente desenvolvido pela KIT para experimentos de raios-X na fonte de radiação síncrotron PETRA III da DESY na estação experimental P09. Em intervalos de um minuto, os cientistas tiraram imagens de raios-X, que revelou a estrutura interna e o diâmetro dos nanofios em crescimento. Além disso, eles mediram os nanofios totalmente crescidos usando o microscópio eletrônico de varredura no DESY NanoLab. "Para garantir o sucesso de tais medições complexas, um extenso período de caracterização e otimização de crescimento no Laboratório de Análise de UHV no KIT foi um pré-requisito, "diz o co-autor Seyed Mohammad Mostafavi Kashani da Universidade de Siegen.

Durante um período de cerca de quatro horas, os fios atingiram um comprimento de cerca de 4.000 nanômetros. Um nanômetro (nm) é um milionésimo de milímetro. Contudo, não só os fios se tornaram mais longos durante esse tempo, mas também mais espesso - seu diâmetro aumentou de 20 nm inicial para até 140 nm na parte superior do fio, tornando-os cerca de 500 vezes mais finos do que um fio de cabelo humano.

"Uma característica bastante interessante é que as imagens tiradas com o microscópio eletrônico mostram que os nanofios têm uma forma ligeiramente diferente, "diz o co-autor Thomas Keller do DESY NanoLab. Embora os fios fossem mais grossos na parte superior do que na parte inferior, assim como indicado pelos dados de raios-X, o diâmetro medido ao microscópio eletrônico foi maior na região inferior do fio do que o observado na radiografia.

"Descobrimos que o crescimento dos nanofios não se deve apenas ao mecanismo VLS, mas que um segundo componente também contribui, que pudemos observar e quantificar pela primeira vez neste experimento. Este crescimento adicional da parede lateral permite que os fios ganhem largura, "diz Schroth. Independentemente do crescimento da VLS, o material depositado por vapor também se liga diretamente às paredes laterais, particularmente na região inferior do nanofio. Esta contribuição adicional pode ser determinada comparando as medições de raios-X feitas no início durante o crescimento do fio, com a medição do microscópio eletrônico após o término do crescimento.

Além disso, as gotículas de gálio estão constantemente se tornando maiores à medida que mais gálio é adicionado no decorrer do processo de crescimento. Usando modelos de crescimento, os cientistas foram capazes de deduzir a forma das gotículas, que também foi afetado pelo aumento do tamanho das gotas. O efeito disso é de longo alcance:"À medida que a gota muda de tamanho, o ângulo de contato entre a gota e a superfície dos fios também muda. Sob certas circunstâncias, o fio, então, de repente continua crescendo com uma estrutura de cristal diferente, "diz Feigl. Considerando que os nanofios finos inicialmente cristalizam em um hexagonal, a chamada estrutura wurtzite, esse comportamento muda depois de algum tempo e os fios adotam uma estrutura de blenda de zinco cúbico à medida que continuam a crescer. Essa mudança é importante quando se trata de aplicativos, uma vez que a estrutura e a forma dos nanofios têm consequências importantes para as propriedades do material resultante.

Essas descobertas detalhadas não apenas levam a uma melhor compreensão do processo de crescimento; eles também fornecem abordagens para personalizar nanofios futuros para ter propriedades especiais para aplicações específicas - por exemplo, para melhorar a eficiência de uma célula solar ou de um laser.