En whisker nanokrystal (NNC), ofte også kaldet en nanowhisker (af engelsk nanowhisker ) eller nanotråd , nanowire (af det engelske nanowires ), samt en nanorod ( eng. nanorod ) er et endimensionelt nanomateriale , hvis længde væsentligt overstiger de andre dimensioner, som til gengæld ikke overstiger flere snesevis af nanometer .
Der er forskellige typer NW'er, herunder metalliske (f.eks . Ni , Au og andre), halvledere (f.eks. fra Si , InP , GaN og andre), molekylære (bestående af molekylære enheder af organisk eller uorganisk oprindelse) og andre.
Formelt set er der en vis forskel på begreberne nanowhiskers og for eksempel nanotråde , da der i det første tilfælde normalt menes relativt korte krystalstrukturer med en længde på flere mikrometer , og i sidstnævnte menes ekstremt lange nanostrukturer. , bogstaveligt talt ligner en ledning. I den russisksprogede videnskabelige litteratur bruges som regel udtrykket whiskers (NNCs) eller nanowhiskers [1] . Ordlisten over nanoteknologiske termer giver forskellige beskrivelser af begreberne nanotråd og nanowhisker . Det skal bemærkes, at begrebet en nanorod adskiller sig væsentligt fra andre begreber, da det indebærer, at længden af et objekt kun overstiger dets diameter et par gange, og i den videnskabelige litteratur forstås en nanorod også ofte som en NW med en diameter på over 100-200 nm. Med andre ord betyder nanorods nanoobjekter, der bogstaveligt talt ligner en kort stang, nanotråde ligner lange tråde, og nanowhiskers er noget midt imellem. Hvorom alting er, kan man finde ekstremt tvetydig brug af alle disse udtryk overalt, hvilket kan betyde både korte og lange endimensionelle nanostrukturer. Således er udtrykkene NW'er og endimensionel nanostruktur på en eller anden måde de mest generelle. Alle disse udtryk må ikke forveksles med begrebet et nanorør .
Der er flere fundamentalt forskellige mekanismer til at opnå endimensionelle nanostrukturer, som kan opdeles i metoder til at opnå frie strukturer (for eksempel "damp-væske-krystal" vækstmekanismen) og anvendelse af plane teknologimetoder samt nogle andre.
Den mest almindelige mekanisme for væksten af halvledere NW er damp-væske-krystal- mekanismen [1] , som blev demonstreret allerede i 1964 [2] . I denne metode udføres den epitaksielle vækst af NW'er ved kemisk dampaflejring eller molekylær stråleepitaksi .
For at gøre dette aflejres først en tynd film af guld på overfladen af substratet, som spiller rollen som en katalysator , hvorefter temperaturen i kammeret stiger, og guld danner en række dråber. Dernæst leveres komponenter til vækst af et halvledermateriale, for eksempel elementer In og P til vækst af InP NW. Effekten af aktivering af katalysatorpartikler er, at væksten på overfladen under dråben sker mange gange hurtigere end på den ikke-aktiverede overflade, så katalysatordråben stiger op over overfladen og vokser et knurhår nedenunder.
Nogle gange bruges planteknologiske metoder til at skabe endimensionelle nanoobjekter, som også kaldes NW'er eller nanotråde. For eksempel på overfladen, ved hjælp af fotolitografi og ætsningsmetoder , skabes lodrette riller [3] eller V-formede riller [4] , hvori materialet afsættes. Ved at samle sig i disse riller eller riller danner materialet så at sige endimensionelle nanostrukturer i henholdsvis lodret eller vandret retning. En anden metode til at opnå endimensionelle nanostrukturer er, at der på SOI - substratet, ved hjælp af foto- og elektronlitografimetoder , skabes et maskelag med et mønster af det ønskede NW. Yderligere gennem dette lag ætses overfladelaget af silicium væk, hvilket kun efterlader silicium NW'er på isolatoren. I nogle tilfælde ætses isolatoren også ud under NW, hvilket efterlader frie nanostrukturer [5] .
Den enkleste metode til at opnå NW'er af metaloxid er den sædvanlige opvarmning af metaller i luft [6] og kan nemt udføres derhjemme. Vækstmekanismer har været kendt siden 1950'erne [7] . Spontan dannelse af NWs sker ved hjælp af krystalgitterdefekter: dislokationer til stede i visse retninger [8] eller vækstanisotropi af forskellige krystalflader . Efter fremskridt i mikroskopi er væksten af NW'er ved hjælp af skruedislokationer [ 9] [10] eller tvillingegrænser [11] blevet påvist .
Ud over de ovennævnte metoder er der også sådanne metoder til at opnå NW'er, såsom damp-krystal-krystal-mekanismen, krystalvækst uden brug af en ekstern katalysator (selvkatalyseret vækst) [12] , selektiv epitaksi og nogle andre metoder [1] .
NW'er kan dyrkes af et materiale eller bestå af to eller flere lag af forskellige materialer dyrket oven på hinanden (for eksempel InAs/InP) [13] . I dette tilfælde taler man om en heterostruktur baseret på NWs. For at opnå heterostrukturer baseret på NW'er, under processen med epitaksial krystalvækst, stoppes tilførslen af elementer af et stof på et bestemt tidspunkt, og tilførslen af et andet begynder, så der dannes lag af et nyt materiale i matrixen af den forrige.
Der er to hovedtyper af heterostrukturer baseret på NW'er: aksial, når tynde lag af forskellige materialer er placeret på tværs af krystalvækstaksen, og radial, når et materiale omgiver et andet [14] . Med hensyn til form skelnes der blandt heterostrukturer baseret på NW'er, kvanteprikker , aksiale og radiale kvantebrønde , kvantestænger (aflange kvanteprikker), supergitter og andre strukturer.
NW'er og heterostrukturer baseret på dem har en række unikke egenskaber, der adskiller dem fra andre nanoobjekter og krystaller i makrostørrelse. Nedenfor er de mest berømte af dem.
De fleste halvleder III-V krystaller (f.eks. GaAs , InAs , InP og andre ) har i normal tilstand en krystalstruktur af zinkblanding ( sphalerit ), mens kun nogle få af dem, for eksempel nitridforbindelser (GaN, AlN), har en sekskantet struktur wurtzite . Et træk ved NW-krystalstrukturen er, at den kan have både zinkblandede og wurtzitformer, afhængigt af krystalvækstbetingelserne [1] . Desuden indeholder én NV ofte forskellige zoner med strukturer af begge typer. I dette tilfælde kan man ved hjælp af metoderne til fotoluminescerende spektroskopi observere den såkaldte rekombination af den anden type, når ladningsbærere fra en zone rekombinerer med bærere fra en anden zone, på grund af hvilken stråling forekommer med en energi mindre end båndgabet . I det hele taget er egenskaberne for materialer med en wurtzit-krystalstruktur ret forskellige fra dem for et materiale med en zink-blandingsstruktur, som giver halvleder NW'er en række egenskaber, som ikke er karakteristiske for dette materiale i den almindelige tilstand. For eksempel har materialer med en wurtzit-krystalstruktur som regel store piezoelektriske konstanter, som bestemmer eksistensen af indbyggede piezoelektriske felter i NW-heterostrukturer, hvilket i tilfælde af NW-heterostrukturer kan føre til kvantestørrelsen Stark-effekten [15] .
På grund af deres endimensionelle form og træk ved krystalstrukturen har NW'er en ikke-triviel anisotropi af strålingspolarisering . Undersøgelser af NWs ved mikrofotoluminescerende spektroskopi viser, at på den ene side, set fra klassisk optiks synspunkt, vil emission og absorption ved bølgelængder , der overstiger NWs diameter, hovedsageligt forekomme for bølger polariseret parallelt med NWs hovedakse, da bølger vinkelret på den vil blive undertrykt på grund af forskellen i dielektriske konstanter for NWs og luft [13] . På den anden side viser beregningen af kvanteniveauer i halvledere med en wurtzite krystalstruktur, at stråling bør forekomme vinkelret på wurtzite krystal vækstakse, hvilket observeres eksperimentelt, når man sammenligner strålingen fra NW prøver med begge typer krystalstrukturer [16] . Derudover kan en række andre faktorer også påvirke polariseringen af NWs og NWs af heterostrukturer [13] . Således er polarisationsanisotropien i disse nanostrukturer et komplekst problem.
I processen med epitaksial vækst af krystaller på overfladen af krystaller af et andet materiale opstår problemet med mekanisk spænding på grund af misforholdet mellem de konstante krystalgitre af disse materialer. Store uoverensstemmelser fører til udseendet af mistilpassede dislokationer . En unik egenskab ved heterostrukturer baseret på NWs er relakseringen af elastiske spændinger på NWs laterale overflade, hvilket gør det muligt at skabe defektfrie heterostrukturer med en større mismatch end i tilfælde af plane strukturer. Den mulige mismatch af gitterkonstanterne vil i dette tilfælde være omvendt proportional med NW-radius [1] . Hvorom alting er, så kan resterende spændinger føre til piezoelektriske effekter i NWs med wurtzit-krystalstrukturen [15] .
NW er et relativt nyt materiale, og har fra 2014 ingen industriel anvendelse. Hvorom alting er, er mange potentielle anvendelser af NW'er blevet demonstreret inden for forskellige områder af elektronik og medicin. Især er der gjort adskillige forsøg på at demonstrere de forskellige muligheder for at bruge NW'er inden for fotovoltaik til at skabe solceller [17] . Derudover kan NW'er finde anvendelse i termoelektriske [18] og piezoelektriske [19] enheder. NW'er kan bruges til at skabe forskellige elektroniske enheder, såsom pn-forbindelser og transistorer [20] . Talrige værker er blevet udført, der studerer NW'er som et aktivt element i nanosensorer til ekspresdiagnostik af forskellige kemiske og biologiske objekter, især vira [1] . De optiske egenskaber af NW'er og heterostrukturer baseret på dem kan bruges til forskellige lysemitterende og detekterende applikationer [21] . Især, baseret på NW'er, blev mulighederne for at konstruere lasere , strålingskilder til signaltransmission, fotodetektorer, LED'er og andre optiske enheder demonstreret. I denne henseende blev kvanteudbyttet af heterostrukturer på NWs demonstreret, sammenligneligt med værdierne for plane analoger [14] .