Un nanofilo è una nanostruttura , il cui diametro è espresso in nanometri , quindi in linea di massima da 1 a 999 nanometri. Per semplicità è tollerato un certo trabocco in queste dimensioni.
In alternativa, i nanofili possono essere definiti come strutture che hanno uno spessore o un diametro definito, ma di qualsiasi lunghezza. A queste scale gli effetti quantistici sono importanti - da qui l'uso del termine "fili quantici". Esistono molti tipi di nanofili, inclusi materiali metallici (es. Ni , Pt , Au ), semiconduttori (come Si , InP , GaN , ecc.) o dielettrici (es. SiO 2, TiO 2), o miscela metallo/plastica autoassemblante. I nanofili molecolari sono costituiti da unità molecolari organiche (es. il DNA ) o inorganiche (Mo 6 S 9-x I x ) vengono ripetute.
Questi oggetti nanometrici sono di interesse per molti campi tecnologici (micro/nanoelettronica, energia fotovoltaica ) e scientifici ( biologia , fisica ).
A causa del loro grande fattore di forma, i nanofili sono a volte un po' erroneamente classificati in strutture unidimensionali o quasi unidimensionali, come i nanotubi . A volte associamo anche "nanofili" e "fili quantici", ma un filo di dimensione nanometrica non mostra necessariamente effetti quantistici.
Si consiglia quindi di non mischiare:
Esistono due approcci di base allo sviluppo di nanofili: l'approccio top-down e l'approccio bottom-up. L'approccio top-down consiste nell'incidere la struttura in un substrato, utilizzando tecniche di litografia e incisione, comunemente utilizzate nei processi microelettronici. Piuttosto, l'approccio dal basso verso l'alto consiste nel far crescere la struttura assemblando gli atomi che la compongono.
Il metodo di crescita VLS (per Vapor-Liquid-Solid) è il più utilizzato per la crescita di nanofili. Viene effettuato per mezzo di un catalizzatore liquido, attraverso il quale gli atomi della fase vapore vengono assorbiti e diffondono verso il substrato. La nucleazione della fase solida sembra quindi avvenire all'interfaccia tra catalizzatore liquido e substrato, quindi in due dimensioni. Un articolo di Wagner ed Ellis (1964) allude dapprima a questo metodo di crescita, tentando di spiegare la crescita dei "nanowhiskers" su substrati di silicio senza l'ausilio di dislocazioni o altri difetti del cristallo di partenza. .
Crescita VSS Crescita SLS AutoassemblaggioUn approccio bottom-up consiste nell'utilizzare composti le cui molecole si autoassemblano da sole o sotto l'azione di un campo (radiazione elettrica, magnetica, luminosa). Ad esempio, i composti di plastica e metallo possono formare nanofili sotto una luce tra gli elettrodi sotto tensione.
Diverse ragioni fisiche prevedono che la conduttività di un nanofilo sarà molto inferiore a quella del corrispondente materiale di base. Prima di tutto, c'è una dispersione dai confini del filo, il cui effetto sarà molto grande ogni volta che la larghezza del filo è inferiore al percorso libero medio degli elettroni liberi del materiale sfuso. Nel rame, ad esempio, il cammino libero medio è di 40 nm. I nanofili di rame con una larghezza inferiore a 40 nm accorciano il percorso libero medio fino alla larghezza del filo. I nanofili d'argento hanno una conduttività elettrica e termica molto diversa dall'argento solido.
I nanofili presentano anche altre particolari proprietà elettriche dovute alle loro dimensioni. A differenza dei nanotubi di carbonio a parete singola, il cui movimento degli elettroni può rientrare nel regime di trasporto balistico (il che significa che gli elettroni possono spostarsi liberamente da un elettrodo all'altro), la conduttività dei nanofili è fortemente influenzata da effetti collaterali. Gli effetti del bordo provengono dagli atomi che si trovano sulla superficie del nanofilo e non sono completamente legati agli atomi vicini come gli atomi nella massa del nanofilo. Gli atomi non legati sono spesso una fonte di difetti nel nanofilo e possono far sì che il nanofilo conduca elettricità peggio del materiale di base. Quando la dimensione di un nanofilo diminuisce, gli atomi di superficie diventano più numerosi degli atomi del nanofilo e gli effetti sui bordi diventano più importanti.
Inoltre, la conducibilità può subire quantizzazione di energia: cioè l'energia degli elettroni che passano attraverso un nanofilo può assumere solo valori discreti, che sono multipli del quanto di conduttanza . G = 2e 2 /h (dove e è la carica dell'elettrone e h è la costante di Planck . Vedi anche l' effetto Hall quantistico ).
La conducibilità è quindi descritta come la somma del trasporto attraverso "canali" separati di diversi livelli energetici quantizzati. Più sottile è il filo, minore è il numero di canali disponibili per il trasporto degli elettroni.
Questa quantificazione è stata dimostrata misurando la conduttività di un nanofilo sospeso tra due elettrodi mentre lo si tira: al diminuire del suo diametro, la sua conduttività diminuisce gradualmente e i plateau corrispondono a multipli di G.
La quantificazione della conducibilità è più pronunciata nei semiconduttori come Si o GaAs rispetto ai metalli, a causa della loro minore densità elettronica e della minore massa efficace, e può essere osservata nelle alette di silicio larghe 25 nm, e determina un aumento della tensione di soglia . Concretamente, ciò significa che un MOSFET con tali alette di silicio su scala nanometrica, se utilizzato in applicazioni digitali, avrà bisogno di una tensione di gate (controllo) più elevata per accendere il transistor.
Per integrare la tecnologia dei nanofili nelle applicazioni industriali, nel 2008 i ricercatori hanno sviluppato un metodo per la saldatura dei nanofili: un nanofilo metallico sacrificale viene posizionato vicino alle estremità delle parti da assemblare (usando i manipolatori di un microscopio elettronico a scansione ); quindi viene applicata una corrente elettrica, che unisce le estremità del filo. Questa tecnica consente la fusione di fili fino a 10 nm. Per i nanofili con un diametro inferiore a 10 nm, le tecniche di saldatura esistenti, che richiedono un controllo preciso del meccanismo di riscaldamento e che possono introdurre rischi di deterioramento, non saranno pratiche. Gli scienziati hanno recentemente scoperto che i nanofili di oro ultrasottile monocristallino con un diametro compreso tra ~ 3 e 10 nm possono essere "saldati a freddo" in pochi secondi mediante un semplice contatto meccanico e con pressioni applicate notevolmente basse (a differenza dei processi di saldatura convenzionali). scala). La microscopia elettronica a trasmissione ad alta risoluzione e le misurazioni in situ rivelano che le saldature sono quasi perfette, con lo stesso orientamento dei cristalli, resistenza e conduttività elettrica del resto del nanofilo. L'elevata qualità delle saldature è attribuita alle dimensioni del campione su scala nanometrica, ai meccanismi di fissazione orientata e alla diffusione superficiale meccanicamente assistita a rapida diffusione . Sono state anche dimostrate saldature di nanofili tra oro e argento e nanofili d'argento (con diametri di ~ 5-15 nm) a una temperatura vicina alla temperatura ambiente, indicando che questa tecnica può essere generalmente applicabile per nanofili metallici ultrafini. In combinazione con altre tecnologie di nano e microfabbricazione, si prevede che la saldatura a freddo avrà potenziali applicazioni nel futuro assemblaggio dal basso verso l'alto di nanostrutture metalliche unidimensionali.
I nanofili possono essere utilizzati per MOSFET ( transistor ad effetto di campo MOS ). I transistor Moss sono ampiamente utilizzati come elementi costruttivi negli attuali circuiti elettronici di base. Come previsto dalla legge di Moore , la dimensione dei transistor MOS è sempre più ridotta alla scala nanometrica. Una delle sfide principali nella costruzione di futuri transistor MOS su nanoscala è garantire un buon controllo del gate sul canale. A causa dell'elevato rapporto di aspetto, se il dielettrico del gate è avvolto attorno al canale del nanofilo, possiamo ottenere un buon controllo del potenziale elettrostatico del canale, che può accendere e spegnere il transistor in modo efficiente.
Grazie alla sua struttura unidimensionale unica con notevoli proprietà ottiche, il nanofilo apre anche nuove possibilità per la realizzazione di dispositivi fotovoltaici ad alta efficienza. Rispetto alle loro controparti sfuse, le celle solari a nanofili sono meno sensibili alle impurità a causa della ricombinazione di massa e pertanto è possibile utilizzare wafer di silicio a purezza inferiore per ottenere una resa accettabile, con conseguente riduzione del consumo di materiali.
Per creare elementi elettronici attivi, il primo passo fondamentale è stato drogare chimicamente un nanofilo semiconduttore. Questo è già stato fatto per i singoli nanofili per creare semiconduttori di tipo p e n.
Il passo successivo è stato trovare un modo per creare una giunzione pn , uno dei dispositivi elettronici più semplici. Questo è stato fatto in due modi. Il primo consisteva nell'attraversare fisicamente un filo di tipo p su un filo di tipo n. Il secondo metodo consisteva nel drogare chimicamente un singolo filo con diversi droganti lungo tutta la sua lunghezza. Questo metodo ha permesso di creare una giunzione pn con un singolo filo.
Una volta che le giunzioni pn sono state costruite con nanofili, il passo logico successivo è stato quello di costruire porte logiche . Collegando più giunzioni pn insieme, i ricercatori sono stati in grado di creare la base per tutti i circuiti logici: le porte AND , OR e NOT sono state tutte costruite da incroci di nanofili semiconduttori.
Nell'agosto 2012, i ricercatori hanno riferito di aver costruito il primo cancello NAND da nanofili di silicio non drogati. Ciò consente di evitare il problema del drogaggio di precisione dei nanocircuiti complementari, che non è risolto. Sono stati in grado di controllare la barriera Schottky per ottenere contatti a bassa resistenza posizionando uno strato di siliciuro nell'interfaccia metallo-silicio.
Le croci di nanofili semiconduttori potrebbero essere importanti per il futuro dell'informatica digitale. Mentre ci sono altri usi per i nanofili, gli unici che sfruttano effettivamente la fisica nel regime dei nanometri sono l'elettronica.
Inoltre, i nanofili vengono anche studiati per l'uso come guide d'onda di fotoni balistici come interconnessioni in array logici di fotoni quantici /pozzi quantistici . I fotoni si muovono all'interno del tubo, gli elettroni si muovono sul guscio esterno.
Quando due nanofili che agiscono come guide d'onda fotoniche si intersecano, la giunzione agisce come un punto quantico .
I nanofili conduttivi offrono la possibilità di connettere entità su scala molecolare in un computer molecolare. Si stanno studiando dispersioni di nanofili conduttivi in diversi polimeri da utilizzare come elettrodi trasparenti per schermi piatti flessibili.
A causa del loro elevato modulo di Young , il loro uso in compositi meccanicamente migliorati è in fase di studio. Poiché i nanofili appaiono in fasci, possono essere utilizzati come additivi tribologici per migliorare le caratteristiche di attrito e l'affidabilità di trasduttori e attuatori elettronici.
A causa del loro elevato rapporto di aspetto, i nanofili sono anche particolarmente adatti per la manipolazione dielettroforetica , che fornisce un approccio dal basso verso l'alto a basso costo per l'integrazione di nanofili di ossido di metallo dielettrico sospeso in dispositivi elettronici come sensori UV, vapore acqueo ed etanolo.