Un nanocristal de bigotes (NNC), a menudo también llamado nanowhisker (del inglés nanowhisker ) o nanothread , nanowire (del inglés nanowires ), así como nanorod ( ing. nanorod ) es un nanomaterial unidimensional , cuya longitud supera significativamente a las demás dimensiones, que, a su vez, no superan varias decenas de nanómetros .
Hay varios tipos de NW, incluidos metálicos (por ejemplo , Ni , Au y otros), semiconductores (por ejemplo, de Si , InP , GaN y otros), moleculares (que consisten en unidades moleculares de origen orgánico o inorgánico) y otros.
Formalmente hablando, existe cierta diferencia entre los conceptos de nanobigotes y, por ejemplo, nanohilos , ya que en el primer caso, por lo general, se entienden estructuras cristalinas relativamente cortas con una longitud de varios micrómetros , y en el segundo, nanoestructuras extremadamente largas. , literalmente parecido a un cable. En la literatura científica en idioma ruso , por regla general, se utiliza el término bigotes (NNC) o nanobigotes [1] . El Glosario de términos nanotecnológicos ofrece varias descripciones de los términos nanohilo y nanobigotes . Cabe señalar que el concepto de nanorod difiere significativamente de otros conceptos, ya que implica que la longitud de un objeto excede su diámetro solo unas pocas veces, y en la literatura científica, un nanorod también se suele entender como un NW con un diámetro superior a 100-200 nm. En otras palabras, los nanovarillas significan nanoobjetos que literalmente se asemejan a una varilla corta, los nanohilos se asemejan a hilos largos y los nanobigotes son algo intermedio. Sea como sea, el uso extremadamente ambiguo de todos estos términos se puede encontrar en todas partes, lo que puede significar nanoestructuras unidimensionales tanto cortas como largas. Por lo tanto, los términos NW y nanoestructura unidimensional son, de alguna manera, los más generales. Todos estos términos no deben confundirse con el concepto de nanotubo .
Existen varios mecanismos fundamentalmente diferentes para obtener nanoestructuras unidimensionales, que se pueden dividir en métodos para obtener estructuras libres (por ejemplo, el mecanismo de crecimiento "vapor-líquido-cristal") y utilizando métodos de tecnología planar , así como algunos otros.
El mecanismo más común para el crecimiento de NW de semiconductores es el mecanismo de vapor-líquido-cristal [1] , que se demostró ya en 1964 [2] . En este método, el crecimiento epitaxial de NW se lleva a cabo mediante deposición química de vapor o epitaxia de haz molecular .
Para hacer esto, primero se deposita una fina película de oro sobre la superficie del sustrato, que desempeña el papel de catalizador , después de lo cual aumenta la temperatura en la cámara y el oro forma una serie de gotas. A continuación, se suministran componentes para el crecimiento de un material semiconductor, por ejemplo, elementos In y P para el crecimiento de InP NW. El efecto de la activación por partículas de catalizador es que el crecimiento en la superficie debajo de la gota se produce muchas veces más rápido que en la superficie no activada, por lo que la gota de catalizador se eleva por encima de la superficie, formando una barba debajo.
A veces, los métodos de tecnología planar se utilizan para crear nanoobjetos unidimensionales, que también se denominan NW o nanocables. Por ejemplo, en la superficie, utilizando métodos de fotolitografía y grabado , se crean ranuras verticales [3] o ranuras en forma de V [4] , en las que se deposita el material. Reuniéndose en estos surcos o surcos, el material forma, por así decirlo, nanoestructuras unidimensionales en las direcciones vertical u horizontal, respectivamente. Otro método para obtener nanoestructuras unidimensionales es que sobre el sustrato SOI , utilizando métodos de foto y litografía electrónica , se crea una capa de máscara con un patrón del NW deseado. Además, a través de esta capa, la capa superficial de silicio se graba, dejando solo NW de silicio en el aislador. En algunos casos, el aislante también se graba debajo del NW, dejando nanoestructuras libres [5] .
El método más simple para obtener NW de óxido metálico es el habitual calentamiento de metales en el aire [6] y se puede hacer fácilmente en casa. Los mecanismos de crecimiento se conocen desde la década de 1950 [7] . La formación espontánea de NW ocurre con la ayuda de los defectos de la red cristalina: dislocaciones presentes en ciertas direcciones [8] o anisotropía de crecimiento de varias caras de cristal . Tras avanzar en microscopía, se ha demostrado el crecimiento de NWs mediante dislocaciones de tornillo [9] [10] o fronteras gemelas [11] .
Además de los métodos anteriores, también existen métodos para obtener NW, como el mecanismo de vapor-cristal-cristal, crecimiento de cristales sin el uso de un catalizador externo (crecimiento autocatalizado) [12] , epitaxia selectiva, y algunos otros métodos [1] .
Los NW pueden crecer a partir de un material o consistir en dos o más capas de diferentes materiales que crecen una encima de la otra (por ejemplo, InAs/InP) [13] . En este caso, se habla de una heteroestructura basada en NWs. Para obtener heteroestructuras a base de NWs, durante el proceso de crecimiento de cristales epitaxiales, en un momento determinado, se detiene el suministro de elementos de una sustancia y comienza el suministro de otra, de manera que se forman capas de un nuevo material en la matriz de El anterior.
Hay dos tipos principales de heteroestructuras basadas en NW: axiales, cuando capas delgadas de diferentes materiales se ubican a lo largo del eje de crecimiento del cristal, y radiales, cuando un material rodea a otro [14] . En cuanto a la forma, entre las heteroestructuras basadas en NW se distinguen los puntos cuánticos , los pozos cuánticos axiales y radiales , las varillas cuánticas (puntos cuánticos alargados), las superredes y otras estructuras.
Los NW y las heteroestructuras basadas en ellos tienen una serie de propiedades únicas que los distinguen de otros nanoobjetos y cristales de tamaño macro. A continuación se muestran los más famosos de ellos.
La mayoría de los cristales semiconductores III-V (por ejemplo, GaAs , InAs , InP y otros ), en estado normal, tienen una estructura cristalina de blenda de zinc ( esfalerita ), mientras que solo algunos de ellos, por ejemplo, compuestos de nitruro (GaN, AlN), tienen una estructura hexagonal de wurtzita . Una característica de la estructura cristalina NW es el hecho de que puede tener formas tanto de blenda de zinc como de wurtzita, dependiendo de las condiciones de crecimiento del cristal [1] . Además, un NW a menudo contiene diferentes zonas con estructuras de ambos tipos. En este caso, utilizando los métodos de espectroscopia fotoluminiscente , se puede observar la llamada recombinación del segundo tipo, cuando los portadores de carga de una zona se recombinan con los portadores de otra zona, por lo que la radiación se produce con una energía menor que la banda prohibida . . En general, las propiedades de los materiales con estructura cristalina de wurtzita son bastante diferentes de las de un material con estructura de blenda de zinc, lo que dota a los NW semiconductores de una serie de propiedades que no son características de este material en estado ordinario. Por ejemplo, los materiales con una estructura cristalina de wurtzita, por regla general, tienen constantes piezoeléctricas grandes, lo que determina la existencia de campos piezoeléctricos incorporados en las heteroestructuras NW, lo que, en el caso de las heteroestructuras NW, puede conducir al efecto Stark de tamaño cuántico . [15] .
Debido a su forma unidimensional y características de la estructura cristalina, los NW tienen una anisotropía no trivial de polarización de radiación . Los estudios de NW por espectroscopía microfotoluminiscente muestran que, por un lado, desde el punto de vista de la óptica clásica, la emisión y absorción en longitudes de onda superiores al diámetro de NW se producirá principalmente para ondas polarizadas paralelas al eje principal de NW, ya que las ondas perpendiculares a él serán suprimidas debido a la diferencia en las constantes dieléctricas de NWs y aire [13] . Por otro lado, el cálculo de niveles cuánticos en semiconductores con estructura cristalina de wurtzita muestra que la radiación debe ocurrir perpendicular al eje de crecimiento del cristal de wurtzita, lo cual se observa experimentalmente al comparar la radiación de muestras NW con ambos tipos de estructuras cristalinas [16]. . Además, una serie de otros factores también pueden afectar la polarización de NW y NW de heteroestructuras [13] . Por lo tanto, la anisotropía de polarización en estas nanoestructuras es un problema complejo.
En el proceso de crecimiento epitaxial de cristales sobre la superficie de cristales de otro material, surge el problema del estrés mecánico debido al desajuste de las redes cristalinas constantes de estos materiales. Grandes desajustes conducen a la aparición de dislocaciones inadaptadas . Una propiedad única de las heteroestructuras basadas en NW es la relajación de las tensiones elásticas en la superficie lateral de las NW, lo que permite crear heteroestructuras libres de defectos con un mayor desajuste que en el caso de estructuras planas. El posible desajuste de las constantes de red, en este caso, será inversamente proporcional al radio NW [1] . Sea como fuere, las tensiones residuales pueden provocar efectos piezoeléctricos en NW con la estructura cristalina de wurtzita [15] .
NW es un material relativamente nuevo y, a partir de 2014, no tiene aplicación industrial. Sea como fuere, se han demostrado muchas aplicaciones potenciales de los NW en varios campos de la electrónica y la medicina. En particular, se han realizado numerosos intentos para demostrar las diversas posibilidades de utilizar NW en el campo de la energía fotovoltaica para crear células solares [17] . Además, los NW pueden encontrar aplicación en dispositivos termoeléctricos [18] y piezoeléctricos [19] . Los NW se pueden utilizar para crear varios dispositivos electrónicos, como uniones pn y transistores [20] . Se han realizado numerosos trabajos que estudian los NW como elemento activo de nanosensores para el diagnóstico rápido de diversos objetos químicos y biológicos, en particular virus [1] . Las propiedades ópticas de los NW y las heteroestructuras basadas en ellos se pueden utilizar para diversas aplicaciones de detección y emisión de luz [21] . En particular, con base en NWs, se demostraron las posibilidades de construir láseres , fuentes de radiación para la transmisión de señales, fotodetectores, LEDs y otros dispositivos ópticos. En este sentido, se demostró el rendimiento cuántico de heteroestructuras en NWs, comparable con los valores para análogos planares [14] .