Atomaire diffusietechniek kan leiden tot massaproductie van metalen nanodraden

Een groep van de Nagoya University in Japan heeft een nieuwe techniek ontwikkeld voor het kweken van de kleine metalen nanodraden (NW’s) die naar verwachting in de volgende generatie elektronica gebruikt zullen worden. Hun resultaten suggereren een manier om pure metalen NW’s massaal te produceren, wat tot nu toe hun gebruik beperkte.

De nieuwe techniek belooft de efficiëntie van de productie van elektronica te verbeteren, inclusief circuits, LED’s en zonnecellen. De studie was gepubliceerd in Wetenschap.

Massaproductie van NW’s is een uitdaging vanwege de moeilijkheden om de productie op te schalen en tegelijkertijd de kwaliteit en zuiverheid te behouden. NW’s zijn zo klein dat ze worden gemaakt door atomen te transporteren, het kleinste bestanddeel van materie, meestal in een gasfase. Dat is echter moeilijk te doen met metalen, wat de productie van deze belangrijke componenten van elektronica belemmert.

Om dit probleem te verhelpen, gebruikte een groep onder leiding van Yasuhiro Kimura van de Nagoya University Graduate School of Engineering atomaire diffusie in een vaste fasetoestand, versterkt door ionenbundelbestraling, om aluminium NW’s te creëren uit monokristallen.

Atomaire diffusie is een proces waarbij atomen of moleculen zich verplaatsen van gebieden met een hoge concentratie naar gebieden met een lage concentratie, door verandering van de spanningstoestand onder invloed van hitte.

Met behulp van ionenbundels werden de kristalkorrels in de dunne aluminiumfilm bestraald om ze aan de oppervlaktelaag grover te maken. Dit veroorzaakte veranderingen in de spanningsverdeling, waardoor de atomaire stroming werd geleid en het werd gebruikt als een manier om atomaire grondstoffen voor NW-groei naar specifieke locaties te leveren.

In de praktijk ontstond er bij het toepassen van hitte een opwaartse stroom van atomen via de gradiënt van de fijne korrels onderaan naar de grovere korrels bovenaan, wat resulteerde in massagroei van NW’s.

“We hebben de dichtheid van aluminium NW’s verhoogd van 2×10⁵ NWs per vierkante cm tot 180×10⁵ per vierkante cm,” zei Kimura. “Deze prestatie maakt de weg vrij voor bottom-up metaal NW-groeimethoden, die tot nu toe alleen per ongeluk en in kleine hoeveelheden zijn gekweekt. Het kan in principe ook worden uitgebreid naar andere metalen.”

De verwachting is dat de resulterende aluminium NW’s gebruikt zullen worden als nanocomponenten voor sensorapparatuur en opto-elektronica vanwege hun unieke eigenschappen, zoals een groot oppervlak, goede mechanische eigenschappen vanwege de vervaardiging uit monokristallen en hun weerstand tegen natuurlijke oxidatie.

“We realiseerden de massagroei van bosachtige metalen NW’s met behulp van slechts drie belangrijke processen: dunne-filmdepositie op een substraat, ionenbundelbestraling en verhitting”, legt Kimura uit.

“Onze techniek biedt een oplossing voor de dringende behoefte aan methoden voor massaproductie, vooral bij de productie van hoogwaardige nano-apparaten zoals gassensoren, biomarkers en opto-elektronische componenten.”