p Uma equipe de pesquisa da Universidade Ehime abriu um caminho para alcançar nanoestruturas semicondutoras III-V inexploradas. Eles desenvolveram nanofios de GaAs ramificados com um elemento Bi não tóxico, empregando modificações estruturais características correlacionadas com gotículas metálicas, bem como defeitos e orientações cristalinas. A descoberta fornece um conceito de design racional para a criação de nanoestruturas semicondutoras com a concentração de constituintes além do limite fundamental, tornando-o potencialmente aplicável a novos dispositivos de infravermelho próximo eficientes e eletrônicos quânticos. p Nanofio é uma estrutura de haste com um diâmetro tipicamente mais estreito do que várias centenas de nanômetros. Devido ao seu tamanho e estrutura, exibe propriedades características que não são encontradas em materiais a granel maiores. O estudo de nanofios semicondutores III-V tem atraído muito interesse nas últimas décadas devido ao seu potencial de aplicação em nanoescala quântica, fotônico, eletrônico, e conversão de energia, e em dispositivos biológicos, com base em sua natureza unidimensional e grande proporção entre superfície e volume. A introdução de uma heteroestrutura epitaxial facilita o controle do transporte e das propriedades eletrônicas de tais dispositivos, mostrando o potencial para realizar sistemas integrados baseados em compostos III-V e Si com funções eletrônicas e ópticas superiores.

p Os semicondutores compostos III-V são um dos mais altos em mobilidade e eficiência de conversão fóton-elétron que existe. Entre eles, GaAs é um semicondutor composto III-V representativo, que é utilizado para transistores de alta velocidade, bem como diodos emissores de luz infravermelha de alta eficiência, lasers, e células solares. Dispositivos ópticos baseados em III-V GaAs sofrem perdas intrínsecas relacionadas à geração de calor. Para contornar isso, o uso da liga GaAsBi de bismeto diluído com um elemento Bi não tóxico recentemente ganhou atenção porque a introdução de Bi suprime a geração de calor enquanto aumenta a eficiência de conversão elétron-luz. Portanto, incorporar liga de bismeto GaAsBi diluída em nanofios é uma abordagem racional para o desenvolvimento de nanodispositivos optoeletrônicos de alto desempenho. Enquanto isso, nanofios ramificados ou semelhantes a árvores oferecem uma abordagem para aumentar a complexidade estrutural e aprimorar as funções resultantes que, por sua vez, permitem a realização de estruturas de dimensionalidade superior, conectividade lateral, e interconexão entre os nanofios.

p Usando uma técnica de crescimento de cristal atomicamente precisa chamada epitaxia de feixe molecular, o grupo da Ehime University controlou a formação de nanoestruturas induzidas por Bi no crescimento de nanofios de núcleo-concha GaAs / GaAsBi ramificados. Assim, eles abriram um caminho para alcançar nanoestruturas semicondutoras III-V inexploradas empregando a supersaturação característica de gotículas de catalisador, modificações estruturais induzidas pela deformação, e a incorporação na matriz de GaAs do hospedeiro correlacionada com defeitos cristalinos e orientações.

p O artigo científico que apresenta seus resultados foi publicado no dia 17 de setembro na revista. Nano Letras .

p O grupo já havia obtido nanofios de heteroestrutura de GaAs / GaAsBi em Si com uma concentração de Bi 2 por cento menor do que o relatório anterior. Os nanofios exibiram características estruturais específicas, tendo uma superfície áspera com ondulações, que foram provavelmente induzidas pela grande incompatibilidade de rede e o acúmulo de deformação resultante entre o GaAs e a liga de GaAsBi. Também, Bi atua como um surfactante no controle da energia superficial, provocando assim a síntese de nanoestruturas. Contudo, o impacto da introdução de Bi no crescimento da liga GaAsBi está longe de ser totalmente compreendido. No relatório, eles investigam as características e mecanismos de crescimento de NWs multicamadas de núcleo-casca GaAs / GaAsBi em substratos de Si (111), com foco na deformação estrutural induzida por Bi. Para sintetizar nanofios III-V ramificados, convencionalmente, nanopartículas de catalisador metálico, mais comumente Au, são empregados como sementes de nucleação para o crescimento dos ramos. Por outro lado, o grupo usou gotículas de autocatalisador Ga e Bi que podem suprimir a introdução de impurezas de elementos não constituintes. Quando Ga é deficiente durante o crescimento, Bi se acumula no vértice dos nanofios de GaAs centrais e serve como um catalisador de crescimento de nanofios para as estruturas ramificadas para o azimute cristalino específico. Existe uma forte correlação entre a acumulação de Bi e as falhas de empilhamento. Além disso, Bi é preferencialmente incorporado em uma orientação de superfície de GaAs restrita, levando à incorporação espacialmente seletiva de Bi em uma área confinada que tem uma concentração de Bi de 7% acima do limite fundamental. A heteroestrutura GaAs / GaAsBi / GaAs obtida com a interface definida pelos defeitos gêmeos cristalinos de uma camada atômica, que pode ser potencialmente aplicado a uma estrutura confinada quântica.

p A descoberta fornece um conceito de design racional para a criação de nanoestruturas baseadas em GaAsBi e o controle da incorporação de Bi além do limite fundamental. Esses resultados indicam o potencial para uma nova nanoestrutura semicondutora para dispositivos de infravermelho próximo e eletrônicos quânticos eficientes.