Nanocable

Crystalline 2×2-atom tin selenide nanowire creció dentro de un nanotubo de carbono de un solo muro (diámetro de tubo ~1 nm).

Un nanoalambre es una nanoestructura en forma de alambre con un diámetro del orden de un nanómetro (10⁻⁹ metros). De manera más general, los nanocables se pueden definir como estructuras que tienen un grosor o un diámetro limitado a decenas de nanómetros o menos y una longitud ilimitada. A estas escalas, los efectos de la mecánica cuántica son importantes, lo que acuñó el término "cables cuánticos".

Existen muchos tipos diferentes de nanocables, incluidos superconductores (por ejemplo, YBCO), metálicos (por ejemplo, Ni, Pt, Au, Ag), semiconductores (por ejemplo, nanocables de silicio (SiNW), InP, GaN) y aislantes (por ejemplo, SiO2, TiO2).

Los nanocables moleculares se componen de unidades moleculares repetidas, ya sean orgánicas (por ejemplo, ADN) o inorgánicas (por ejemplo, Mo₆S_9−xI_x).

Características

Una imagen de HRTEM llena de ruido de un nanowire extremo HgTe incrustado en el poro central de un SWCNT. La imagen también está acompañada por una simulación de la estructura cristalina

Los nanocables típicos exhiben relaciones de aspecto (relación de largo a ancho) de 1000 o más. Como tales, a menudo se los denomina materiales unidimensionales (1-D). Los nanocables tienen muchas propiedades interesantes que no se ven a granel o en materiales tridimensionales. Esto se debe a que los electrones en los nanocables están confinados cuánticamente lateralmente y, por lo tanto, ocupan niveles de energía que son diferentes del continuo tradicional de niveles de energía o bandas que se encuentran en los materiales a granel.

Las características peculiares de este confinamiento cuántico exhibidas por ciertos nanocables se manifiestan en valores discretos de la conductancia eléctrica. Dichos valores discretos surgen de una restricción mecánica cuántica sobre el número de electrones que pueden viajar a través del cable a escala nanométrica. Estos valores discretos a menudo se conocen como el cuanto de conductancia y son múltiplos enteros de

2e2h≃ ≃ 77.41μ μ S{displaystyle {frac {2e^{2} {h}simeq 77,41;mu} S.

Son inversas de la conocida unidad de resistencia h/e², que es aproximadamente igual a 25812,8 ohmios, y se conoce como la constante de von Klitzing R_K (después de Klaus von Klitzing, el descubridor de la cuantización exacta). Desde 1990 se acepta un valor fijo convencional R_K-90.

Los ejemplos de nanocables incluyen nanocables moleculares inorgánicos (Mo₆S_9−xI_x, Li₂ Mo₆Se₆), que puede tener un diámetro de 0,9 nm y una longitud de cientos de micrómetros. Otros ejemplos importantes se basan en semiconductores como InP, Si, GaN, etc., dieléctricos (por ejemplo, SiO₂, TiO₂) o metales (por ejemplo, Ni, Pt).

Hay muchas aplicaciones en las que los nanocables pueden volverse importantes en dispositivos electrónicos, optoelectrónicos y nanoelectromecánicos, como aditivos en compuestos avanzados, para interconexiones metálicas en dispositivos cuánticos a nanoescala, como emisores de campo y como conductores para nanosensores biomoleculares.

Síntesis

Una imagen SEM de heteroestructuras nanowire epitaxiales cultivadas de nanopartículas de oro catalítica

Existen dos enfoques básicos para sintetizar nanocables: de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba. Un enfoque de arriba hacia abajo reduce una gran pieza de material a piezas pequeñas, por diversos medios, como litografía, molienda u oxidación térmica. Un enfoque de abajo hacia arriba sintetiza el nanocable mediante la combinación de adatomos constituyentes. La mayoría de las técnicas de síntesis utilizan un enfoque ascendente. La síntesis inicial a través de cualquiera de los métodos a menudo puede ir seguida de un paso de tratamiento térmico con nanocables, que a menudo implica una forma de oxidación autolimitada, para ajustar el tamaño y la relación de aspecto de las estructuras. Después de la síntesis de abajo hacia arriba, los nanocables se pueden integrar mediante técnicas de selección y colocación.

La producción de nanocables utiliza varias técnicas de laboratorio comunes, que incluyen suspensión, deposición electroquímica, deposición de vapor y crecimiento VLS. La tecnología de seguimiento de iones permite el crecimiento de nanocables homogéneos y segmentados de hasta 8 nm de diámetro. Como la tasa de oxidación de los nanocables está controlada por el diámetro, a menudo se aplican pasos de oxidación térmica para ajustar su morfología.

Suspensión

Un nanocable suspendido es un cable producido en una cámara de alto vacío sostenida en los extremos longitudinales. Los nanocables suspendidos se pueden producir mediante:

• El grabado químico de un alambre más grande
• El bombardeo de un alambre más grande, típicamente con iones altamente energéticos
• Señalar la punta de un STM en la superficie de un metal cerca de su punto de fusión, y luego retraerlo

Crecimiento VLS

Una técnica común para crear un nanocable es el método vapor-líquido-sólido (VLS), que Wagner y Ellis informaron por primera vez en 1964 para filamentos de silicio con diámetros que van desde cientos de nm hasta cientos de µm. Este proceso puede producir nanocables cristalinos de alta calidad de muchos materiales semiconductores, por ejemplo, los nanocables de silicio monocristalino (SiNW) cultivados en VLS con superficies lisas podrían tener excelentes propiedades, como una elasticidad ultragrande. Este método utiliza un material de origen de partículas ablacionadas con láser o un gas de alimentación como el silano.

La síntesis de VLS requiere un catalizador. Para los nanocables, los mejores catalizadores son los nanoclusters de metal líquido (como el oro), que pueden autoensamblarse a partir de una película delgada por deshumectación o comprarse en forma coloidal y depositarse sobre un sustrato.

La fuente entra en estos nanoclusters y comienza a saturarlos. Al alcanzar la sobresaturación, la fuente se solidifica y crece hacia afuera del nanocúmulo. Simplemente apagar la fuente puede ajustar la longitud final del nanocable. Cambiar las fuentes mientras aún se encuentra en la fase de crecimiento puede crear nanocables compuestos con superredes de materiales alternos. Por ejemplo, un método denominado ENGRAVE (Encoded Nanowire GROwth and Appearance through VLS and Etching) desarrollado por Cahoon Lab en UNC-Chapel Hill permite un control morfológico a escala nanométrica a través de una rápida modulación dopante in situ.

Una reacción en fase de vapor de un solo paso a temperatura elevada sintetiza nanocables inorgánicos como Mo₆S_9−xI_x. Desde otro punto de vista, tales nanocables son polímeros en racimo.

Al igual que la síntesis VLS, la síntesis VSS (vapor-sólido-sólido) de nanocables (NW) procede a través de la descomposición termolítica de un precursor de silicio (normalmente, fenilsilano). A diferencia de VLS, la semilla catalítica permanece en estado sólido cuando se somete a un recocido a alta temperatura del sustrato. Este tipo de síntesis se usa ampliamente para sintetizar nanocables de siliciuro/germanida de metal a través de la aleación VSS entre un sustrato de cobre y un precursor de silicio/germanio.

Síntesis en fase de solución

La síntesis en fase de solución se refiere a las técnicas que hacen crecer nanocables en solución. Pueden producir nanocables de muchos tipos de materiales. La síntesis en fase de solución tiene la ventaja de que puede producir cantidades muy grandes, en comparación con otros métodos. En una técnica, la síntesis de polioles, el etilenglicol es a la vez disolvente y agente reductor. Esta técnica es particularmente versátil para producir nanocables de oro, plomo, platino y plata.

El método de crecimiento fluido-líquido-sólido supercrítico se puede utilizar para sintetizar nanocables semiconductores, por ejemplo, Si y Ge. Mediante el uso de nanocristales metálicos como semillas, los precursores organometálicos de Si y Ge se introducen en un reactor lleno de un disolvente orgánico supercrítico, como el tolueno. La termólisis da como resultado la degradación del precursor, lo que permite la liberación de Si o Ge y la disolución en los nanocristales metálicos. A medida que se agrega más soluto semiconductor de la fase supercrítica (debido a un gradiente de concentración), precipita un cristalito sólido y un nanocable crece uniaxialmente a partir de la semilla del nanocristal.

Autoensamblaje inducido por puente líquido

Los nanocables de proteína en la seda de araña se han formado haciendo rodar una gota de solución de seda de araña sobre una estructura de pilar superhidrofóbico.

Crecimiento no catalítico

Observación in situ del crecimiento de nanowire CuO

La gran mayoría de los mecanismos de formación de nanocables se explican mediante el uso de nanopartículas catalíticas, que impulsan el crecimiento de los nanocables y se agregan intencionalmente o se generan durante el crecimiento. Sin embargo, los nanocables también se pueden cultivar sin la ayuda de catalizadores, lo que ofrece la ventaja de los nanocables puros y minimiza el número de pasos tecnológicos. Los mecanismos para el crecimiento sin catalizador de nanocables (o bigotes) se conocían desde la década de 1950.

Los métodos más simples para obtener nanocables de óxido metálico utilizan el calentamiento ordinario de los metales, p. alambre de metal calentado con batería, por Joule la calefacción en el aire se puede hacer fácilmente en casa. La formación espontánea de nanocables por métodos no catalíticos se explicó por la dislocación presente en direcciones específicas o la anisotropía de crecimiento de varias caras de cristal. Más recientemente, después del avance de la microscopía, se demostró el crecimiento de nanocables impulsado por dislocaciones de tornillos o límites gemelos. La imagen de la derecha muestra el crecimiento de una sola capa atómica en la punta del nanocable de CuO, observado mediante microscopía TEM in situ durante la síntesis no catalítica del nanocable.

Los nanocables a escala atómica también pueden formarse completamente autoorganizados sin necesidad de defectos. Por ejemplo, los nanocables de siliciuro de tierras raras (RESi₂) de unos pocos nm de ancho y alto y varios 100 nm de longitud se forman en sustratos de silicio (001) que están cubiertos con una submonocapa de un metal de tierras raras. y posteriormente recocido. Las dimensiones laterales de los nanocables confinan los electrones de tal manera que el sistema se parece a un metal (casi) unidimensional. Los nanocables RESi₂ metálicos también se forman en el silicio (hhk). Este sistema permite sintonizar la dimensionalidad entre bidimensional y unidimensional por la cobertura y el ángulo de inclinación del sustrato.

Síntesis de nanocables metálicos con plantilla de ADN

Un campo emergente es el uso de hebras de ADN como andamios para la síntesis de nanocables metálicos. Este método se investiga tanto para la síntesis de nanocables metálicos en componentes electrónicos como para aplicaciones de biodetección, en las que permiten la transducción de una cadena de ADN en un nanocable metálico que puede detectarse eléctricamente. Por lo general, las hebras de ssDNA se estiran y luego se decoran con nanopartículas metálicas que han sido funcionalizadas con hebras cortas de ssDNA complementarias.

Litografía de máscara de sombra definida por grietas

Recientemente se ha informado sobre un método simple para producir nanocables con geometrías definidas utilizando litografía óptica convencional. En este enfoque, la litografía óptica se utiliza para generar nanogaps mediante la formación controlada de grietas. Estos nanogaps se utilizan luego como máscara de sombra para generar nanocables individuales con longitudes y anchos precisos. Esta técnica permite producir nanocables individuales de menos de 20 nm de ancho de forma escalable a partir de varios materiales metálicos y de óxido metálico.

Física

Conductividad

Una imagen SEM de un alambre de níquel de 15 micrometros

Varias razones físicas predicen que la conductividad de un nanocable será mucho menor que la del material a granel correspondiente. Primero, hay dispersión desde los límites del cable, cuyo efecto será muy significativo siempre que el ancho del cable esté por debajo del camino libre medio de electrones libres del material a granel. En el cobre, por ejemplo, el camino libre medio es de 40 nm. Los nanocables de cobre de menos de 40 nm de ancho acortarán el camino libre medio al ancho del cable. Los nanocables de plata tienen una conductividad eléctrica y térmica muy diferente a la de la plata a granel.

Los nanocables también muestran otras propiedades eléctricas peculiares debido a su tamaño. A diferencia de los nanotubos de carbono de pared simple, cuyo movimiento de electrones puede caer bajo el régimen de transporte balístico (lo que significa que los electrones pueden viajar libremente de un electrodo a otro), la conductividad de los nanocables está fuertemente influenciada por los efectos de borde. Los efectos de borde provienen de los átomos que se encuentran en la superficie del nanocable y no están completamente unidos a los átomos vecinos como los átomos dentro de la mayor parte del nanocable. Los átomos no enlazados son a menudo una fuente de defectos dentro del nanocable y pueden hacer que el nanocable conduzca la electricidad peor que el material a granel. A medida que se reduce el tamaño de un nanoalambre, los átomos de la superficie se vuelven más numerosos en comparación con los átomos dentro del nanoalambre, y los efectos de borde se vuelven más importantes.

Además, la conductividad puede sufrir una cuantificación en energía: es decir, la energía de los electrones que atraviesan un nanocable puede asumir solo valores discretos, que son múltiplos del cuanto de conductancia G = 2e²/h (donde e es la carga del electrón y h es la constante de Planck. Véase también el efecto Quantum Hall).

Por lo tanto, la conductividad se describe como la suma del transporte por canales separados de diferentes niveles de energía cuantificados. Cuanto más delgado es el cable, menor es el número de canales disponibles para el transporte de electrones.

Esta cuantificación se ha demostrado midiendo la conductividad de un nanocable suspendido entre dos electrodos mientras se tira de él: a medida que se reduce su diámetro, su conductividad disminuye gradualmente y las mesetas corresponden a múltiplos de G.

La cuantificación de la conductividad es más pronunciada en los semiconductores como el Si o el GaAs que en los metales, debido a su menor densidad de electrones y menor masa efectiva. Se puede observar en aletas de silicio de 25 nm de ancho y da como resultado un voltaje de umbral aumentado. En términos prácticos, esto significa que un MOSFET con tales aletas de silicio a nanoescala, cuando se usa en aplicaciones digitales, necesitará un voltaje de puerta (control) más alto para encender el transistor.

Soldadura

Para incorporar la tecnología de nanoalambres en las aplicaciones industriales, los investigadores desarrollaron en 2008 un método para soldar nanoalambres: se coloca un nanoalambre de metal de sacrificio junto a los extremos de las piezas que se van a unir (usando los manipuladores de un microscopio electrónico de barrido); luego se aplica una corriente eléctrica, que fusiona los extremos del cable. La técnica fusiona cables tan pequeños como 10 nm.

Para los nanocables con diámetros inferiores a 10 nm, las técnicas de soldadura existentes, que requieren un control preciso del mecanismo de calentamiento y que pueden introducir la posibilidad de daño, no serán prácticas. Recientemente, los científicos descubrieron que los nanocables de oro ultrafinos monocristalinos con diámetros de ~3–10 nm se pueden "soldar en frío" juntos en segundos por contacto mecánico solo, y bajo presiones aplicadas notablemente bajas (a diferencia del proceso de soldadura en frío a macro y microescala). La microscopía electrónica de transmisión de alta resolución y las mediciones in situ revelan que las soldaduras son casi perfectas, con la misma orientación del cristal, fuerza y conductividad eléctrica que el resto del nanocable. La alta calidad de las soldaduras se atribuye a las dimensiones de la muestra a nanoescala, los mecanismos de unión orientada y la rápida difusión superficial asistida mecánicamente. También se demostraron soldaduras de nanoalambres entre oro y plata, y nanoalambres de plata (con diámetros de entre ~5 y 15 nm) casi a temperatura ambiente, lo que indica que esta técnica puede ser aplicable en general para nanoalambres metálicos ultrafinos. En combinación con otras tecnologías de nano y microfabricación, se anticipa que la soldadura en frío tendrá aplicaciones potenciales en el futuro ensamblaje ascendente de nanoestructuras metálicas unidimensionales.

Propiedades mecánicas

Simulación de una fractura de nano alambre

El estudio de la mecánica de los nanocables ha tenido un auge desde la llegada del microscopio de fuerza atómica (AFM) y las tecnologías asociadas que han permitido el estudio directo de la respuesta del nanocable a una carga aplicada. Específicamente, un nanocable se puede sujetar desde un extremo y el extremo libre desplazado por una punta AFM. En esta geometría en voladizo, la altura del AFM se conoce con precisión y la fuerza aplicada se conoce con precisión. Esto permite la construcción de una curva de fuerza frente a desplazamiento, que se puede convertir en una curva de tensión frente a deformación si se conocen las dimensiones del nanocable. A partir de la curva tensión-deformación, se puede derivar la constante elástica conocida como módulo de Young, así como la tenacidad y el grado de endurecimiento por deformación.

Módulo de Young

Curva de estrés proporciona todas las propiedades mecánicas relevantes incluyendo: módulo de tracción, fuerza de rendimiento, fuerza de tracción máxima y fuerza de fractura

El componente elástico de la curva de estrés-entrenamiento descrito por el Modulus de Young, ha sido reportado para nanowires, sin embargo el módulo depende muy fuertemente de la microestructura. Así falta una descripción completa de la dependencia del módulo del diámetro. Analíticamente, se ha aplicado la mecánica continua para estimar la dependencia del módulo del diámetro: E=E0[1+4()E0/Es− − 1)()rs/D− − rs2/D2)]{displaystyle E=E_{0}[1+4(E_{0}/E_{s}-1)(r_{s}/D-r_{s}^{2}/D^{2})} en tensión, donde E0{displaystyle E_{0} es el módulo de vracs, rs{displaystyle R_{s} es el espesor de una capa de shell en la que el módulo es dependiente de la superficie y varía de la masa, Es{displaystyle E{s} es el módulo de superficie, y D{displaystyle D} es el diámetro. Esta ecuación implica que el módulo aumenta a medida que el diámetro disminuye. Sin embargo, varios métodos computacionales como la dinámica molecular han predicho que el módulo debe disminuir como disminuciones de diámetro.

Experimentalmente, se ha demostrado que los nanocables de oro tienen un módulo de Young que es efectivamente independiente del diámetro. De manera similar, se aplicó nano-indentación para estudiar el módulo de los nanocables de plata, y nuevamente se encontró que el módulo era de 88 GPa, muy similar al módulo de plata a granel (85 GPa). Estos trabajos demostraron que la dependencia del módulo determinada analíticamente parece ser suprimido en muestras de nanocables donde la estructura cristalina se parece mucho a la del sistema a granel.

Por el contrario, se han estudiado los nanocables sólidos de Si y se ha demostrado que tienen un módulo decreciente con el diámetro. Los autores de ese trabajo informan un módulo de Si que es la mitad del valor a granel, y sugieren que la densidad de los defectos puntuales, y/o la pérdida de estequiometría química puede explicar esta diferencia.

Límite elástico

El componente plástico de la curva de tensión y deformación (o, más exactamente, el inicio de la plasticidad) se describe mediante el límite elástico. La resistencia de un material aumenta al disminuir el número de defectos en el sólido, lo que ocurre naturalmente en los nanomateriales donde se reduce el volumen del sólido. A medida que un nanocable se reduce a una sola línea de átomos, la fuerza teóricamente debería aumentar hasta llegar a la resistencia a la tracción molecular. Los nanocables de oro se han descrito como de "resistencia ultraalta" debido al aumento extremo del límite elástico, acercándose al valor teórico de E/10. Se determina que este enorme aumento en el rendimiento se debe a la falta de dislocaciones en el sólido. Sin movimiento de dislocación, está en funcionamiento un mecanismo de "dislocación-inanición". En consecuencia, el material puede experimentar grandes tensiones antes de que sea posible el movimiento de dislocación, y luego comienza a endurecerse por deformación. Por estas razones, los nanocables (históricamente descritos como "bigotes") se han utilizado ampliamente en compuestos para aumentar la resistencia general de un material. Además, los nanocables continúan estudiándose activamente, con investigaciones que buscan traducir propiedades mecánicas mejoradas en dispositivos novedosos en los campos de MEMS o NEMS.

Aplicaciones

Dispositivos electrónicos

Resultado de simulación atomista para la formación del canal de inversión (nivencia electrónica) y el logro del voltaje umbral (IV) en un MOSFET nanowire. Tenga en cuenta que el voltaje del umbral para este dispositivo está alrededor de 0.45V

Los nanocables se pueden usar para MOSFET (transistores de efecto de campo MOS). Los transistores MOS se utilizan ampliamente como elementos de construcción fundamentales en los circuitos electrónicos actuales. Como predice la ley de Moore, la dimensión de los transistores MOS se está reduciendo cada vez más a nanoescala. Uno de los desafíos clave de la construcción de futuros transistores MOS a nanoescala es garantizar un buen control de puerta sobre el canal. Debido a la alta relación de aspecto, si el dieléctrico de la puerta se envuelve alrededor del canal de nanocables, podemos obtener un buen control del potencial electrostático del canal, por lo tanto, encender y apagar el transistor de manera eficiente.

Debido a la estructura unidimensional única con notables propiedades ópticas, el nanocable también abre nuevas oportunidades para la realización de dispositivos fotovoltaicos de alta eficiencia. En comparación con sus contrapartes a granel, las células solares de nanocables son menos sensibles a las impurezas debido a la recombinación a granel y, por lo tanto, se pueden usar obleas de silicio con menor pureza para lograr una eficiencia aceptable, lo que lleva a una reducción en el consumo de material.

Para crear elementos electrónicos activos, el primer paso clave fue dopar químicamente un nanocable semiconductor. Esto ya se ha hecho con nanocables individuales para crear semiconductores tipo p y tipo n.

El siguiente paso fue encontrar una manera de crear una unión p-n, uno de los dispositivos electrónicos más simples. Esto se logró de dos maneras. La primera forma era cruzar físicamente un cable tipo p sobre un cable tipo n. El segundo método implicó dopar químicamente un solo cable con diferentes dopantes a lo largo. Este método creó una unión p-n con un solo cable.

Después de construir las uniones p-n con nanocables, el siguiente paso lógico fue construir puertas lógicas. Al conectar varias uniones p-n, los investigadores han podido crear la base de todos los circuitos lógicos: las puertas AND, OR y NOT se han construido a partir de cruces de nanocables semiconductores.

En agosto de 2012, los investigadores informaron sobre la construcción de la primera puerta NAND a partir de nanocables de silicio sin dopar. Esto evita el problema de cómo lograr un dopaje de precisión de nanocircuitos complementarios, que está sin resolver. Pudieron controlar la barrera de Schottky para lograr contactos de baja resistencia colocando una capa de siliciuro en la interfaz metal-silicio.

Es posible que los cruces de nanocables de semiconductores sean importantes para el futuro de la informática digital. Aunque hay otros usos para los nanocables más allá de estos, los únicos que realmente aprovechan la física en el régimen nanométrico son los electrónicos.

Además, los nanocables también se están estudiando para su uso como guías de ondas balísticas de fotones como interconexiones en conjuntos lógicos de fotones de pozos de efectos cuánticos/puntos cuánticos. Los fotones viajan dentro del tubo, los electrones viajan en la capa exterior.

Cuando dos nanocables que actúan como guías de ondas de fotones se cruzan, la unión actúa como un punto cuántico.

Los nanocables conductores ofrecen la posibilidad de conectar entidades a escala molecular en una computadora molecular. Se están investigando dispersiones de nanocables conductores en diferentes polímeros para su uso como electrodos transparentes para pantallas planas flexibles.

Debido a sus módulos de Young elevados, se está investigando su uso para mejorar mecánicamente los compuestos. Debido a que los nanocables aparecen en paquetes, pueden usarse como aditivos tribológicos para mejorar las características de fricción y la confiabilidad de los actuadores y transductores electrónicos.

Debido a su alta relación de aspecto, los nanocables también son especialmente adecuados para la manipulación dielectroforética, que ofrece un enfoque ascendente de bajo costo para integrar nanocables de óxido de metal dieléctrico suspendido en dispositivos electrónicos como sensores de UV, vapor de agua y etanol..

Debido a su gran relación superficie-volumen, se informa que las reacciones físico-químicas son favorables en la superficie de los nanocables. Esto puede facilitar que los mecanismos de degradación operen en algunos nanocables bajo ciertas condiciones de procesamiento, como en un entorno de plasma.

Dispositivos de un solo nanocable para detección de gases y sustancias químicas

Como se mencionó anteriormente, la alta relación de aspecto de los nanocables hace que estas nanoestructuras sean adecuadas para la detección electroquímica con el potencial de máxima sensibilidad. Uno de los desafíos para el uso de nanocables en productos comerciales está relacionado con el aislamiento, el manejo y la integración de nanocables en un circuito eléctrico cuando se utiliza el enfoque convencional y manual de recoger y colocar, lo que lleva a un rendimiento muy limitado. Los desarrollos recientes en los métodos de síntesis de nanocables ahora permiten la producción paralela de dispositivos de nanocables únicos con aplicaciones útiles en electroquímica, fotónica y detección de gases y biodetección.

Láseres de nanocables

Láseres Nanowire para transmisión ultrarrápida de información en pulsos ligeros

Los láseres de nanocables son láseres a nanoescala con potencial como interconexiones ópticas y comunicación óptica de datos en un chip. Los láseres de nanocables se construyen a partir de heteroestructuras de semiconductores III-V, el alto índice de refracción permite una baja pérdida óptica en el núcleo del nanocable. Los láseres de nanocables son láseres de sublongitud de onda de solo unos pocos cientos de nanómetros. Los láseres de nanocables son cavidades resonadoras de Fabry-Perot definidas por las facetas finales del cable con alta reflectividad, los desarrollos recientes han demostrado tasas de repetición superiores a 200 GHz que ofrecen posibilidades para comunicaciones a nivel de chip óptico.

Detección de proteínas y productos químicos mediante nanocables semiconductores

De forma análoga a los dispositivos FET en los que la modulación de la conductancia (flujo de electrones/agujeros) en el semiconductor, entre los terminales de entrada (fuente) y salida (drenaje), se controla mediante la variación del potencial electrostático (compuerta- electrodo) de los portadores de carga en el canal de conducción del dispositivo, la metodología de un Bio/Chem-FET se basa en la detección del cambio local en la densidad de carga, o el llamado “efecto de campo”, que caracteriza el evento de reconocimiento entre un molécula diana y el receptor de superficie.

Este cambio en el potencial de la superficie influye en el dispositivo Chem-FET exactamente como lo hace un voltaje de "puerta", lo que lleva a un cambio detectable y medible en la conducción del dispositivo. Cuando estos dispositivos se fabrican utilizando nanocables semiconductores como elemento del transistor, la unión de una especie química o biológica a la superficie del sensor puede provocar el agotamiento o la acumulación de portadores de carga en el "bulto" del nanocable de diámetro nanométrico, es decir (pequeña sección transversal disponible para canales de conducción). Además, el cable, que sirve como un canal conductor sintonizable, está en estrecho contacto con el entorno de detección del objetivo, lo que lleva a un tiempo de respuesta corto, junto con un aumento de órdenes de magnitud en la sensibilidad del dispositivo como resultado de la enorme Relación S/V de los nanocables.

Mientras que varios materiales semiconductores inorgánicos como Si, Ge y óxidos metálicos (por ejemplo, In₂O₃, SnO₂, ZnO, etc.) se han utilizado para la preparación de nanocables, el Si suele ser el material de elección cuando se fabrican quimio/biosensores basados en FET de nanocables.

Varios ejemplos del uso de dispositivos de detección de nanocables de silicio (SiNW) incluyen la detección ultrasensible en tiempo real de proteínas biomarcadoras para el cáncer, la detección de partículas de virus individuales y la detección de materiales explosivos nitro-aromáticos como 2, 4,6 Tri-nitrotolueno (TNT) en sensibilidades superiores a las de los caninos. Los nanocables de silicio también podrían usarse en su forma retorcida, como dispositivos electromecánicos, para medir fuerzas intermoleculares con gran precisión.

Limitaciones de la detección con dispositivos FET de nanocables de silicio

Por lo general, las cargas de las moléculas y macromoléculas disueltas se filtran mediante contraiones disueltos, ya que, en la mayoría de los casos, las moléculas unidas a los dispositivos están separadas de la superficie del sensor aproximadamente entre 2 y 12 nm (el tamaño de las proteínas receptoras o los enlazadores de ADN unidos). a la superficie del sensor). Como resultado de la detección, el potencial electrostático que surge de las cargas en la molécula del analito decae exponencialmente hacia cero con la distancia. Por lo tanto, para una detección óptima, la longitud de Debye debe seleccionarse cuidadosamente para las mediciones FET de nanocables. Un enfoque para superar esta limitación emplea la fragmentación de las unidades de captura de anticuerpos y el control sobre la densidad del receptor de superficie, lo que permite una unión más íntima al nanocable de la proteína objetivo. Este enfoque resultó útil para mejorar drásticamente la sensibilidad de la detección de biomarcadores cardíacos (por ejemplo, troponina) directamente del suero para el diagnóstico de infarto agudo de miocardio.

Transferencia asistida por nanocables de muestras TEM sensibles

Para una introducción mínima de tensión y flexión en las muestras de microscopía electrónica de transmisión (TEM) (láminas, películas delgadas y otras muestras mecánicas y sensibles al haz), cuando se transfieren dentro de un haz de iones enfocado (FIB), se pueden usar nanocables metálicos flexibles. unido a un micromanipulador típicamente rígido.

Las principales ventajas de este método incluyen una reducción significativa del tiempo de preparación de la muestra (soldadura y corte rápidos de nanocables con una corriente de haz baja) y la minimización de la flexión inducida por el estrés, la contaminación por Pt y el daño del haz de iones. Esta técnica es particularmente adecuada para la preparación de muestras de microscopía electrónica in situ.

Nanocables similares al maíz

El nanocable tipo maíz es un nanocable unidimensional con nanopartículas interconectadas en la superficie, lo que proporciona un gran porcentaje de facetas reactivas. Los nanocables de tipo maíz de TiO₂ se prepararon por primera vez mediante un concepto de modificación de la superficie utilizando un mecanismo de estrés de tensión superficial a través de dos operaciones hidrotérmicas consecutivas, y mostraron un aumento del 12 % en la eficiencia de las células solares sensibilizadas por colorante y la dispersión de la luz. capa. CdSe nanocables similares al maíz cultivados por deposición de baño químico y γ-Fe₂O₃@SiO₂@TiO_{2 similar al maíz} Los fotocatalizadores inducidos por interacciones de dipolos magnéticos también se han informado anteriormente.