Нанопроволоки ―  что это такое, где они используются? Как их можно создать? В видеолекции проекта «Классный ученый» о нанопроволоках рассказывает младший научный сотрудник Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН кандидат физико-математических наук Анна Александровна Спирина.

«Наноусики, нанопроволоки и нановискеры ― все это разные названия для нанокристаллов, длина которых во много раз превышает диаметр. На срезе нашего волоса могут поместиться тысячи нанопроволок, состав их может быть очень разным в зависимости от задачи. Выращивают и металлические проволоки из меди, железа, золота, серебра, и органические проволоки на основе белковых, углеродных соединений.  Конечно же, есть и полупроводниковые нанопроволоки.

Существует любопытная версия о том, как они были обнаружены: в 1950-е годы один американский физик перегрел радиосхему и решил ее починить ―  разобрал и увидел, что элементы схемы замкнуты тонкими, едва заметными ниточками. Оказалось, что в этой схеме использовалось олово в качестве припоя или покрытия, а олово инициирует рост нанопроволок.  В дальнейшем, чтобы избежать замыкания элементов между собой при нагреве схем, пришлось менять состав припоя».

С помощью нанопроволок создают сенсоры, солнечные элементы, транзисторные структуры. Интенсивные исследования проволок начались благодаря развитию микроскопии, в первую очередь всех интересовало, каков механизм роста таких кристаллов.

Анна Спирина занимается моделированием роста нанопроволок в группе моделирования электронных и технологических процессов микроэлектроники ИФП СО РАН. 

«Я моделирую методом Монте-Карло. Мы рассматриваем рост кристаллов на атомарном уровне: смотрим, как атомы двигаются по поверхности, как они встраиваются в растущую структуру, выясняем, что именно приводит к формированию тех или иных дефектов, почему прерывается рост или, наоборот, происходит каким-то экзотическим образом. Например, мы рассмотрели, как влияет ориентация подложки на морфологию кристаллов, показали, что в случае, когда материал капли катализатора входит в состав растущей проволоки ― наиболее стабильный планарный рост наблюдается на поверхностях (111) А.  

Еще мы получили интересный результат, который экспериментально пока сложно или даже невозможно увидеть ― мы можем заглянуть в самое начало роста, где “кишат” атомы, живут своей жизнью. А мы заглядываем под каплю металла (с нее начинается рост нанопроволоки) ― под каплей формируется трехмерный кристалл. Он и задает дальнейшее направление роста проволоки: либо вертикальное, либо наклонное, либо вдоль подложки. Чтобы получить проволоку, растущую в нужном направлении, необходимо повлиять на этот кристалл: задать ростовые условия, чтобы необходимый фронт роста был в конкретном месте. То есть, к примеру, ограничить сбор вещества, чтобы только с одной стороны был большой приток вещества, тогда в эту сторону начнется рост проволоки.

Такие результаты мы можем получить с помощью моделирования, заглядывая на атомарный уровень и выясняя, что же там происходит».

Подробнее о механизмах роста нанопроволок, смотрите в видеолекции: https://youtu.be/7VTfKokeoBU?si=2XQXrd3YKdQubRHH

Фото предоставлено Анной Спириной,
остальные ― из презентации доклада