Полупроводники жизненно важны для нашей повседневной жизни, поскольку они присутствуют практически в каждом электронном устройстве. Одной из ключевых характеристик полупроводников является их запрещенная зона, которая определяет, как они проводят электрический ток. Запрещенная зона обычно проектируется для конкретных применений путем разрушения химических связей или введения дополнительных элементов в материал. Однако эти процессы могут быть сложными и энергоемкими.

Исследователи из Ноттингемского университета, EPSRC SuperSTEM facility, Ульмского университета в Германии и BNNT LLC в США получили изображения новых форм селена с помощью просвечивающей электронной микроскопии, используя нанотрубки в качестве крошечных пробирок. Исследование было опубликовано сегодня в журнале Advanced Materials.

Доктор Уилл Калл, научный сотрудник школы химии Ноттингемского университета, который проводил экспериментальную работу, сказал: "Селен - старый полупроводник с богатой историей, который использовался в первых солнечных элементах. В ходе наших исследований мы возродили селен, обнаружив новые формы, которые могут возникать в наномасштабе.'

Селен может существовать в виде нанопроволок, причем его структура и связи варьируются в зависимости от диаметра. Ниже определенного размера связь между атомами селена изменяется, увеличивая углы связи. Это приводит к выпрямлению первоначально спиральной структуры, в конечном счете сжимая ее в атомарно тонкие проволочки.

Доктор Уилл Калл сказал: "Мы успешно отобразили новые формы селена с помощью просвечивающей электронной микроскопии, используя нанотрубки в качестве крошечных пробирок. Этот подход позволил нам создать новую фазовую диаграмму, которая связывает атомную структуру селена с диаметром нанопроволок.'

Ранее Ноттингемская группа сообщала об использовании нанотестовых пробирок для получения изображений химических реакций отдельных молекул и наблюдения фазовых переходов в полупроводниках. Такой подход позволяет снимать химию на атомном уровне в режиме реального времени.

Доктор Уилл Калл сказал: "К нашему удивлению, мы заметили, что нано-пробирка становилась тоньше по мере того, как мы ее изображали! На наших глазах селеновая нанопроволока внутри нанотрубки сжималась, как зубная паста, растягиваясь и истончаясь. Это счастливое открытие позволило нам установить механизмы преобразования одного типа нанопроволоки в другой, которые влияют на их электронные свойства, с точностью, близкой к атомной.'

Ширина запрещенной зоны - важнейшее свойство полупроводников, которое существенно влияет на их использование в различных устройствах, включая солнечные элементы, транзисторы и фотокатализаторы. Профессор Квентин Рамасс, директор EPSRC SuperSTEM, сказал: "Используя сканирующую просвечивающую электронную микроскопию с атомарным разрешением в сочетании со спектроскопией потерь энергии электронов, мы смогли измерить ширину запрещенной зоны отдельных цепочек селена. Эти измерения позволили нам установить взаимосвязь между диаметром этих нанопроволок и соответствующими им запрещенными зонами.'

Профессор Квентин Рамасс сказал: "Традиционно углеродные нанотрубки использовались в качестве нанотестовых трубок; однако их выдающиеся свойства поглощения энергии могут скрывать электронные переходы материала внутри. Напротив, новый тип нанотрубок, нанотрубки из нитрида бора, прозрачны, что позволяет нам наблюдать переходы запрещенной зоны в содержащихся в них селеновых нанопроводах.'

Знаменитый закон Мура гласит, что количество транзисторов в интегральной схеме удваивается примерно каждые два года. В результате электронные компоненты должны уменьшаться в размерах. Профессор Андрей Хлобыстов, химический факультет Ноттингемского университета, сказал: "Мы исследовали предельный размер нанопроволоки при сохранении полезных электронных свойств. Это возможно для селена, поскольку явление квантового ограничения может быть эффективно уравновешено искажениями в атомной структуре, что позволяет ширине запрещенной зоны оставаться в пределах полезного диапазона.'

Исследователи надеются, что в будущем эти новые материалы будут внедрены в электронные устройства. Точная настройка запрещенной зоны селена путем изменения диаметра нанопроволоки может привести к созданию множества индивидуальных электронных устройств, использующих только один элемент.