de.wedoany.com-Bericht: Forschern des National Graphene Institute der University of Manchester und der Sun Yat-sen University ist es erstmals gelungen, die Bildung und das Wachstum von halbleitenden Tellur-Nanostrukturen in Flüssigkeit mithilfe eines Flüssigphasen-Transmissionselektronenmikroskops in Echtzeit aufzuzeichnen.
Tellur ist ein wichtiges Halbleitermaterial, das in elektronischen, thermoelektrischen und optoelektronischen Bauelementen weit verbreitet ist. Seine Leistungsfähigkeit hängt maßgeblich von der Form und Größe der Nanostrukturen ab. Eine präzise Kontrolle des Wachstumsprozesses ist für die Optimierung der Bauteilleistung entscheidend. Bisher war es Wissenschaftlern nicht möglich, die Keimbildung und das Wachstum von Tellur-Nanostrukturen in flüssiger Umgebung direkt zu beobachten.
Mithilfe der Flüssigphasen-Transmissionselektronenmikroskopie (liquid-phase transmission electron microscopy) konnte das Forschungsteam den gesamten Prozess beobachten, bei dem Tellur aus der Lösung ausfällt und sich spontan zu Nanostrukturen organisiert. Zunächst erscheinen kugelförmige „Keim"-Partikel in der Lösung, aus denen dann dünne, lange Nanodrähte wachsen. Im weiteren Verlauf konkurrieren mehrere Nanodrähte um das verfügbare Tellur in der Lösung, was zu deutlichen Unterschieden in der Wachstumsgeschwindigkeit und Verzweigung der einzelnen Nanodrähte führt.
Quantitative Messungen zeigen, dass die Wachstumsrate etwa 1 bis 15 Nanometer pro Sekunde beträgt, abhängig von den Bedingungen des Elektronenstrahls und der Anwesenheit benachbarter Nanodrähte. Diese Studie stellt erstmals einen quantitativen Zusammenhang zwischen der lokalen Wachstumskinetik und der tatsächlichen Konkurrenz zwischen Nanostrukturen in Lösung her.
Die Forschung ergab zudem, dass die Zugabe von Wismut-Nanopartikeln zum System den Bildungsmechanismus von Tellur signifikant verändert. Die Zugabe von Wismut erhöht die Anzahl der Keimbildungszentren, was zur Bildung stärker verzweigter „farnartiger" Strukturen führt. Zusätzliche Elektroabscheidungsexperimente bestätigten, dass Wismut das für die Tellurabscheidung erforderliche Potenzial senkt und die Gesamtausbeute an Tellurmaterial unter gleichen Bedingungen erhöht.
Die Forscher erklären, dass die Echtzeitbeobachtung des Wachstums es ermöglicht, das Verhalten des Systems unter standardmäßigen Synthesebedingungen vorherzusagen und zu kontrollieren. Professorin Sarah Haigh wies darauf hin, dass dies die erste direkte Beobachtung des Auftretens und der Entwicklung von Tellur-Nanodrähten in einer flüssigen Umgebung sei, was zu einer präziseren Kontrolle ihrer Form und Struktur beitragen werde. Der Koautor der Studie, Yi-Chao Zou, ergänzte, dass die Wirkung von Wismut sowohl in Mikroskopieexperimenten als auch bei der klassischen Elektroabscheidung reproduzierbar sei, was neue Wege für das gezielte Design von Nanostrukturen eröffne.
Die Autoren sind der Ansicht, dass die Kombination von Flüssigphasen-Elektronenmikroskopie und kontrollierten Additiven nicht nur die Beschreibung, sondern auch die gezielte Steuerung der Keimbildungs- und Wachstumsmechanismen von Nanomaterialien ermöglicht. Diese Methode könnte die Entwicklung von Tellur-Nanostrukturen für elektronische Bauelemente, Energieumwandlung und Sensorvorrichtungen beschleunigen, da diese Anwendungen höchste Präzision auf der Nanoskala erfordern.
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