La microscopie en temps réel révèle la croissance des nanofils semi-conducteurs

Des scientifiques du National Graphene Institute de l’Université de Manchester et de l’Université Sun Yat-sen ont capturé la croissance de nanostructures semi-conductrices de tellure en liquide en temps réel, révélant comment de minuscules particules germes se forment, se transforment en nanofils et entrent en compétition pour le matériau au fur et à mesure que les structures se développent. L’étude montre également que l’ajout de particules germes de bismuth peut faciliter le dépôt de tellure dans des conditions d’électrodépôt spécifiques utilisées dans les expériences.

Les travaux se concentrent sur le tellure, un semi-conducteur d’intérêt pour les applications électroniques, thermoélectriques et optoélectroniques, dont les performances dépendent fortement de la taille et de la forme des nanostructures produites. Bien que la synthèse en phase liquide soit une méthode évolutive et relativement peu coûteuse pour fabriquer ces matériaux, il était difficile d’observer exactement comment les structures anisotropes de tellure commencent à se former et évoluent pendant la croissance.

En utilisant la microscopie électronique en transmission en phase liquide, les chercheurs ont suivi les premiers stades de la formation du tellure à l’échelle nanométrique. Ils ont découvert que le tellure apparaît d’abord sous forme de particules germes sphériques, qui donnent ensuite naissance à plusieurs nanofils. Pendant la croissance, les fils voisins entrent en compétition pour le matériau disponible, affectant la vitesse de croissance locale et le branchement. Dans l’ensemble des expériences, les taux de croissance locaux des nanofils ont été mesurés entre 1 et 15 nm par seconde, selon le flux d’électrons et la présence de structures voisines.

La professeure Sarah Haigh, auteure correspondante à l’Université de Manchester et au National Graphene Institute, a déclaré : « Cette étude nous permet de voir, en temps réel, comment les nanofils de tellure émergent et évoluent en milieu liquide. En observant directement la nucléation, la croissance et le branchement à l’échelle nanométrique, nous commençons à comprendre comment contrôler ces processus de manière beaucoup plus précise. Cela est important car les performances des matériaux à base de tellure dépendent fortement de leur taille et de leur forme. »

Une deuxième découverte clé est que les nanoparticules germes de bismuth modifient considérablement la croissance du tellure. Dans les expériences de microscopie, le bismuth a augmenté le nombre de sites de nucléation et favorisé des structures plus ramifiées, ressemblant à des fougères. Des expériences de suivi par électrodépôt ont confirmé que le bismuth abaisse également le potentiel réducteur nécessaire au dépôt de tellure et peut augmenter substantiellement la quantité de tellure déposée dans les mêmes conditions. Ensemble, ces résultats montrent comment les informations issues de la microscopie en temps réel peuvent guider une synthèse de matériaux plus efficace en dehors du microscope.

Le Dr Yi-Chao Zou, co-auteur correspondant, a déclaré : « L’un des aspects les plus passionnants de ce travail est que le comportement que nous avons observé dans la cellule liquide s’est traduit dans des expériences d’électrodépôt conventionnelles. Nous avons découvert que l’ensemencement au bismuth favorise non seulement la nucléation du tellure, mais rend également le dépôt plus facile et plus productif à un potentiel fixe. Cela ouvre de nouvelles possibilités pour concevoir des nanostructures de tellure avec des morphologies adaptées à de futures applications dans les dispositifs. »

L’étude, une collaboration entre l’Université Sun Yat-sen, l’Université de Manchester, le National Graphene Institute et l’Institut de technologie de Pékin, suggère que la microscopie en temps réel peut faire plus que décrire la croissance des nanostructures. Dans ce cas, elle a identifié un moyen spécifique de modifier le comportement de nucléation et d’améliorer le dépôt dans des conditions expérimentales définies. Cela pourrait aider les chercheurs à affiner la production de nanostructures de tellure pour des études pertinentes pour les dispositifs, tout en maintenant les affirmations étroitement liées aux systèmes testés ici. L’équipe rapporte que ces résultats pourraient accélérer l’optimisation des nanostructures de faible dimension pour l’électronique, la conversion d’énergie et les applications de détection.

Article : In situ liquid-phase TEM electrodeposition of tellurium nanostructures – Journal : Matter – DOI : Lien vers l’étude

Source : Manchester U.