Учёные наблюдают в реальном времени, как формируются теллуровые нанопровода с добавлением висмута

Наблюдение с помощью микроскопа продемонстрировало конкуренцию наноструктур за материалы и дало возможность управлять ростом теллура с помощью «затравок» из висмута, что улучшает осаждение полупроводникового материала

Исследователи из Национального графенового института Манчестерского университета (National Graphene Institute, University of Manchester) и Университета Сунь Ятсена (Китай) впервые наблюдали в реальном времени процесс формирования и роста полупроводниковых наноструктур теллура в жидкости.

Приводится речь о процессе, при котором материал осаждается из раствора и самопроизвольно организуется в наномасштабные структуры — в данном случае в нанопровода теллура, который является важным полупроводником, используемым в электронике, термоэлектрических и оптоэлектронных устройствах. Их характеристики существенно зависят от формы и размеров, поэтому контроль над ростом имеет решающее значение.

При помощи жидкостной просвечивающей электронной микроскопии (liquid-phase transmission electron microscopy) ученые смогли зафиксировать начальные этапы формирования теллура. Процесс начинается с образования сферических «зародышевых» частиц, из которых затем развиваются вытянутые нанопровода. По мере роста несколько таких структур начинают конкурировать между собой за доступный материал, что приводит к заметным различиям в скорости роста отдельных нитей и их ветвлении.

Измерения показали, что скорость роста варьируется примерно от 1 до 15 нанометров в секунду в зависимости от условий облучения и наличия соседних структур. Это впервые позволило количественно связать локальную динамику роста с фактической конкуренцией наноструктур в растворе.

Один из результатов связан с введением наночастиц висмута. Они значительно изменяют механизм формирования теллура: увеличивают количество центров зарождения и приводят к более разветвлённым, «папоротникообразным» структурами. Дополнительные эксперименты с электродепозицией подтвердили, что висмут снижает потенциал, необходимый для осаждения теллура, и увеличивает общий выход материала при тех же условиях.

Наблюдения за ростом в реальном времени позволили предсказать и контролировать поведение системы в стандартных синтезах.

По словам профессора Сары Хейг (Sarah Haigh), это первое прямое наблюдение того, как теллуровые нанопровода возникают и развиваются в жидкой среде, что предоставляет возможность более точно управлять их формой и структурой. Соавтор исследования И-Чао Цзоу (Yi-Chao Zou) добавил, что эффект висмута оказался воспроизводим как в микроскопе, так и в классической электродепозиции, открывая путь к целенаправленному проектированию наноструктур.

Авторы отмечают, что комбинация жидкостной электронной микроскопии и контролируемых добавок позволяет не только описывать, но и целенаправленно настраивать механизмы зарождения и роста наноматериалов. Это может ускорить разработку теллуровых структур для электроники, преобразования энергии и сенсорных устройств, где критически важны точные параметры на наноуровне.