Nanotraat

Nanotraat (inglise keeles nanowire) on metalliline või pooljuhtnanostruktuur, mille diameeter on kümneid nanomeetreid ja pikkus tüüpiliselt mitusada mikromeetrit. Sellise morfoloogia tõttu kutsutakse neid tihti ka ühedimensioonilisteks (1D) nanostruktuurideks. Ühedimensioonilistel nanostruktuuridel on kaks mõõdet 0,1–100 nm vahel ja kolmas on suurem kui 100 nm. Sellised struktuurid pakuvad erilist huvi rakendusvõimaluste poolest, kuna neil esineb kvantlõksustus kahes dimensioonis, samas kui kolmandas dimensioonis seda üldiselt ei esine. Nanotraate, mille pikkuse ja diameetri suhe on vaid 3–5, nimetatakse ka nanovarrasteks (inglise keeles nanorod).

Ülevaade

Ühedimensioonilised (1D) nanostruktuurid, nagu nanotraadid, -vardad, -rihmad ja -torud, pakuvad teadlastele suurt huvi, kuna neil on unikaalsed rakendusvõimalused väga väikestes seadmetes.
Võrreldes teiste madaladimensiooniliste materjalidega on neil kaks kvantsidestatud suunda, samas kui kolmas on sidestamata, lubades selles suunas juhtida elektrit. Seetõttu saab nanotraate kasutada rakendustes, kus on vajalik elektrijuhtivus tunneleerumise asemel. Nende optilised, elektrilised ja magnetilised omadused erinevad oluliselt samast materjalist makroskoopiliste materjalide omadustest, kuna nende elektronide olekutihedus on oluliselt suurem. Nanotraatide kasutusalad on laialdased. Näiteks võib tuua kuvarid, mikromehaanilised süsteemid, optilised rakendused, sensorid, päikesepaneelid, magnetilised ja elektroonilised rakendused. Üldiselt on nanotraadid kahes väiksemas dimensioonis sümmeetrilised ja neil on ümmargune või mitmetahuline läbilõige. Nanotraatide levinumad materjalid on hõbe, kuld, vismut, Bi₂Te₃, CdS, CdSe, vask, raud, GaN, GaAs, germaanium, InAs, InP, molübdeen, nikkel, PbSe, pallaadium, seleen, räni, tsink või ZnO.

Süntees

Naontraatide jt ühedimensiooniliste nanostruktuuride sünteesiks kasutatakse protsessi, mida on uuritud juba aastasadu – kristallisatsiooni. Tahkise tekkimine auru-, vedelast või tahkest faasist koosneb kahest fundamentaalsest protsessist: nukleatsioonist ja kasvust. Kui osakeste (aatomite, ioonide, molekulide) kontsentratsioon saavutab keskkonnas piisavalt suure tiheduse, nad agregeeruvad (haakuvad) ja moodustavad homogeense nukleatsiooni teel väikesed klastrid. Pidev osakeste juurdevool loob aluse suuremate struktuuride kasvuks nendest klastritest, toimub kristallisatsioon. Kuigi kristallisatsiooni on uuritud juba aastasadu, ei ole see protsess veel selge ja seetõttu ei ole nanotraatide kontrollitud süntees triviaalne probleem. Nanotraatide sünteesi laiemalt levinud meetodid võib jagada neljaks: füüsikalised aurusadestusmeetodid, keemilised aurusadestusmeetodid, lahusepõhisel keemial põhinevad meetodid ja teised sünteesimeetodid.

Füüsikalised sadestusmeetodid

Füüsikalised sadestusmeetodid on aurust tahkisesse sadestamise tehnikad, mille käigus tekitatakse reageerivad gaasid füüsikaliste meetoditega, nagu termiline aurustamine, plasma töötlus, laserablatsioon. Laserablatsioon oli üks esimesi nanotraatide kasvatamiseks kasutatud meetodeid. Selles tehnikas kasutatakse laseriga tekitatud valgusimpulsse, et tulistada märklauda, mis sisaldab keemilisi ühendeid ning metallkatalüsaatorit, millest soovitakse nanotraate sünteesida. Märklaud paigutatakse kuumutuskambrisse, kus laseriga aurustatud materjalist hakkavad kasvama nanotraadid. Sel meetodil on kasvatatud näiteks Si, GaN, InP ja GaP nanotraate. Teine tuntud füüsikaline sadestusmeetod on termiline aurustamine. Selles meetodis aurustatakse reaktorisse paigutatud lähtematerjale ja kantakse need inertgaasi abil katalüsaatorini. Katalüsaatoril hakkavad aurudest kasvama nanotraadid. Sellel meetodil saab sünteesida näiteks ZnO nanotraate.

Keemilised aurusadestusmeetodid

Keemilised aurusadestusmeetodid sisaldavad lähteainete keemilist lagunemist või reageerimist nanotraatideks. Üks keemiline meetod on näiteks termiline keemiline sadestamine aurufaasis. ZnO nanotraatide sünteesiks sellel meetodil kasutatakse ZnO ja grafiidi pulbrite segu, mis on asetatud kvartstorust ahju. Toimub pulbri termiline redutsioon ja nanotraatide kasv. Tihti kasutatakse ka kulla katalüsaatorit. Teine keemiline meetod on metall-orgaaniline sadestamine aurufaasis. Näiteks GaN nanotraate saab sellel meetodil kasvatada, kasutades trimetüülgalliumit ja ammooniumit.

Lahusepõhisel keemial põhinevad meetodid

Lahusepõhine meetod baseerub lahuses toimuval keemilisel nukleatsioonil ja sellele järgneval anisotroopsel nanotraatide kasvul. Sel meetodil on võimalik kasvatada paljudest materjalidest nanotraate. Meetodi eeliseks on võimalus toota suuri koguseid. Võimalikud on hüdrotermiline süntees, hüdrolüüs ja veepõhine keemiline kasv.

Teised sünteesimeetodid

Lisaks eelpool mainitud sünteesimeetoditele kasutatakse veel võrestikel (ingl. k. template) põhinevaid meetodeid. Ühtlase jaotusega võrestikku sadestatakse füüsikalisel või keemilisel meetodil soovitud materjalid ja võrestiku eemaldamisel saadakse ühesuguse läbimõõduga nanotraadid. Veel võib kasutada elektrospinningut. Selles meetodis eemaldatakse materjal polümeerlahusest elektriväljaga ja saadakse nanotraadid. Mõnedest materjalidest, nagu CuO ja Fe₂O₃, on võimalik kasvatada nanotraadid lihtsalt õhu käes kuumutades (termiline oksüdatsioon). Tinal on samuti omapärane võime väga väikese ajaga spontaanselt nanotraate kasvatada, mis on suureks probleemiks sõjatööstuses, lennunduses ja meditsiinis.

Omadused

Võrreldes makroskaalas materjalidega omavad väiksemadimensioonilised nanomaterjalid oma suure pindala ja ruumala suhte ning kvantlõksustuse efekti tõttu erinevaid elektroonilisi, optilisi, keemilisi ja termilisi omadusi.

Termiline stabiilsus

Ühedimensiooniliste nanostruktuuride vähenenud termiline stabiilsus on oluline aspekt, millega tuleb arvestada nende nanostruktuursetes seadmetes kasutamisel. On teada, et tahkise sulamistemperatuur alaneb tugevalt üleminekul makroskaalast nanoskaalasse. Sama kehtib ka nanotraatide kohta. Näiteks kullast 3 nm diameetriga nanotraadi sulamistemperatuur on ~750 °C, samas kui makroskoopiline kullatahkis sulab 1064 °C juures.

Mehaanilised omadused

Nanostruktuuride mehaaniliste omaduste mõistmine on oluline nende materjalide aatomskaalal manipuleerimiseks ja modifitseerimiseks. Nanotraatidel on täheldatud hoopis teistsuguseid mehaanilisi omadusi, kui seda on makroskoopilistel samast ainest materjalidel. Näiteks polükristallilise aine kõvadus kasvab üleminekul makroskaalast mikroskaalasse. Seda omadust tuntakse Halli-Petchi efektina. Minnes aga edasi nanoskaalasse, muutub aine üllatuslikult järjest pehmemaks. Selle tulemusena polükristallilise aine tugevus kõigepealt kasvab ja seejärel jälle kahaneb. Vasest ja pallaadiumist nanotraatidel algab näiteks kõvaduse vähenemine 19,3 ja 11,2 nanomeetrilisest diameetrist.

Elektronitranspordi omadused

Samal ajal kui individuaalse seadme kriitiline dimensioon muutub üha väiksemaks, muutuvad nende elektronitranspordi omadused üha halvemaks. Mitmed uurimused on näidanud, et metallist nanotraadid muutuvad alates teatud diameetrist pooljuhtideks. Näiteks Bi-nanotraadi jaoks on sellise diameetri väärtuseks 52 nm.

Optilised omadused

Sarnaselt kvantpunktidega on nanotraatide energiatasandid alates teatud diameetrist kvantiseeritud. Näiteks Si-nanotraadi neelamisläves toimub diameetri vähenedes tugev sininihe.

Rakendused

Tõenäoliselt kõige levinum ja perspektiivikam nanotraatide kasutusala on elektroonika. Mõned nanotraadid on väga head juhid või pooljuhid ja seda omadust saab hästi ära kasutada väikeste elektroonikaseadmete ehitamisel. Kuna nad on nii väikesed, siis nende baasil saab ehitada väga väikeseid väljatransistoreid. Seetõttu saab protsessori mõõtmeid tunduvalt vähendada ja selle tulemusena kasvab arvutite kiirus ning võimsus. Veel võib nende baasil ehitada nanolüliteid, päikesepaneele, dioode ja teisi elektroonikaseadmeid.
Nanotraadid võivad mängida tähtsat rolli ka kvantarvuti juures. Hollandi teadusrühm sünteesis indiumarseniidi nanotraadid ja kinnitas need alumiiniumi elektroodide külge. Absoluutsele nullile lähedastel temperatuuridel muutub alumiinium ülijuhiks. Teadlased suutsid kontrollida ülijuhtivust, rakendades nanotraatidele erinevaid pingeid. See annab lootust kvantarvuti võimalikkusele reaalses elus.
Piesomaterjale kasutades saab panna nanotraadid tootma kineetilist energiat. Piesoelektriline efekt on fenomen, mida täheldatakse vaid mõnede materjalide juures, nagu näiteks ZnS, FeS. Kui sellisele materjalile rakendada mehaanilist jõudu, siis tekib elektriväli. Samuti vastupidi: kui rakendada materjalile elektrivälja, hakkab see vibreerima. Tulevikus võib selle alusel luua nanogeneraatoreid.
Veel üks võimalik rakendus on sensorites. Näiteks saab nende abil detekteerida mehaanilist pinget, sest koos pingega muutub ka nanotraadi elektritakistus. Kinnitades nanotraadi mõne pinna külge ja avaldades sellele pinnale survet, võib nanotraadi elektrijuhtivust mõõtes määrata ka avaldatud surve.
Siin on ära toodud vaid mõned üksikud rakendusvaldkonnad. Neid on veel väga palju ja tulevikus tekib neid uute avastustega ka tõenäoliselt juurde.