Un nanoalambre es una nanoestructura , con un diámetro del orden de un nanómetro (10 −9 metros). También se puede definir como la relación entre la longitud y el ancho mayor que 1000. Alternativamente, los nanocables se pueden definir como estructuras que tienen un espesor o diámetro restringido a decenas de nanómetros o menos y una longitud no restringida. A estas escalas, los efectos de la mecánica cuántica son importantes, que acuñaron el término " cables cuánticos ". Existen muchos tipos diferentes de nanocables, incluidos superconductores (p. Ej., YBCO [1] ), metálicos (p. Ej. , Ni , Pt , Au , Ag), semiconductores (p. Ej.nanocables de silicio (SiNWs) , InP , GaN ) y aislantes (por ejemplo, SiO 2 , TiO 2 ). Los nanocables moleculares se componen de unidades moleculares repetidas, ya sean orgánicas (por ejemplo, ADN ) o inorgánicas (por ejemplo, Mo 6 S 9 − x I x ).
Descripción general
Los nanocables típicos exhiben relaciones de aspecto (relación de largo a ancho) de 1000 o más. Como tales, a menudo se los denomina materiales unidimensionales (1-D). Los nanocables tienen muchas propiedades interesantes que no se ven a granel o en materiales 3-D (tridimensionales). Esto se debe a que los electrones en los nanocables están confinados lateralmente cuánticamente y, por lo tanto, ocupan niveles de energía que son diferentes del continuo tradicional de niveles o bandas de energía que se encuentran en los materiales a granel.
Las características peculiares de este confinamiento cuántico exhibidas por ciertos nanocables se manifiestan en valores discretos de la conductancia eléctrica . Estos valores discretos surgen de una restricción mecánica cuántica sobre el número de electrones que pueden viajar a través del cable a escala nanométrica. Estos valores discretos a menudo se denominan cuanto de conductancia y son múltiplos enteros de
Son inversos de la conocida unidad de resistencia h / e 2 , que es aproximadamente igual a 25812,8 ohmios , y se conoce como la constante de von Klitzing R K (en honor a Klaus von Klitzing , el descubridor de la cuantificación exacta ). Desde 1990, se acepta un valor convencional fijo R K-90 . [4]
Los ejemplos de nanocables incluyen nanocables moleculares inorgánicos (Mo 6 S 9 − x I x , Li 2 Mo 6 Se 6 ), que pueden tener un diámetro de 0,9 nm y cientos de micrómetros de largo. Otros ejemplos importantes se basan en semiconductores como InP, Si, GaN, etc., dieléctricos (por ejemplo, SiO 2 , TiO 2 ) o metales (por ejemplo, Ni, Pt).
Hay muchas aplicaciones en las que los nanocables pueden llegar a ser importantes en dispositivos electrónicos, optoelectrónicos y nanoelectromecánicos, como aditivos en compuestos avanzados, para interconexiones metálicas en dispositivos cuánticos a nanoescala, como emisores de campo y como conductores para nanosensores biomoleculares.
Síntesis
Hay dos enfoques básicos para sintetizar nanocables: de arriba hacia abajo y de abajo hacia arriba . Un enfoque de arriba hacia abajo reduce una gran pieza de material a piezas pequeñas, por diversos medios como la litografía , [5] [6] fresado u oxidación térmica . Un enfoque de abajo hacia arriba sintetiza el nanoalambre combinando adatomos constituyentes . La mayoría de las técnicas de síntesis utilizan un enfoque de abajo hacia arriba. La síntesis inicial a través de cualquiera de los métodos a menudo puede ir seguida de un paso de tratamiento térmico de nanocables , que a menudo implica una forma de oxidación autolimitante, para ajustar el tamaño y la relación de aspecto de las estructuras. [7]
La producción de nanocables utiliza varias técnicas de laboratorio comunes, que incluyen suspensión, deposición electroquímica, deposición de vapor y crecimiento de VLS . La tecnología de seguimiento de iones permite el crecimiento de nanocables segmentados y homogéneos de hasta 8 nm de diámetro. Como la tasa de oxidación de los nanocables se controla mediante el diámetro, a menudo se aplican pasos de oxidación térmica para ajustar su morfología.
Suspensión
Un nanoalambre suspendido es un cable producido en una cámara de alto vacío sostenida en los extremos longitudinales. Los nanocables suspendidos se pueden producir mediante:
- El grabado químico de un alambre más grande.
- El bombardeo de un cable más grande, típicamente con iones muy energéticos.
- Sangrar la punta de un STM en la superficie de un metal cerca de su punto de fusión y luego retraerlo
Crecimiento de VLS
Una técnica común para crear un nanoalambre es el método vapor-líquido-sólido (VLS), que fue informado por primera vez por Wagner y Ellis en 1964 para bigotes de silicio con diámetros que van desde cientos de nm hasta cientos de µm. [8] Este proceso puede producir nanocables cristalinos de alta calidad de muchos materiales semiconductores, por ejemplo, nanocables de silicio monocristalino (SiNW) cultivados en VLS con superficies lisas podrían tener propiedades excelentes, como elasticidad ultra grande. [9] Este método utiliza un material de origen a partir de partículas sometidas a ablación con láser o un gas de alimentación como el silano .
La síntesis de VLS requiere un catalizador. Para nanocables, los mejores catalizadores son de metal líquido (tales como oro ) nanoclusters , que pueden ser ya sea auto-ensamblan a partir de una película delgada por deshumectación , o comprados en forma coloidal y se depositan sobre un sustrato.
La fuente entra en estos nanoclusters y comienza a saturarlos. Al alcanzar la sobresaturación, la fuente se solidifica y crece hacia afuera desde el nanocluster. Simplemente apagando la fuente puede ajustar la longitud final del nanoalambre. Cambiar de fuente mientras todavía está en la fase de crecimiento puede crear nanocables compuestos con superredes de materiales alternos. Por ejemplo, un método denominado ENGRAVE (Encoded Nanowire GRowth and Appearance through VLS and Etching) [10] desarrollado por el Cahoon Lab en UNC-Chapel Hill permite el control morfológico a escala nanométrica mediante una rápida modulación dopante in situ .
Una reacción en fase de vapor de un solo paso a temperatura elevada sintetiza nanocables inorgánicos como Mo 6 S 9 − x I x . Desde otro punto de vista, estos nanocables son polímeros de racimo .
Crecimiento de VSS Similar a la síntesis de VLS, la síntesis de nanocables (NW) de VSS (vapor-sólido-sólido) se produce a través de la descomposición termolítica de un precursor de silicio (típicamente fenilsilano). A diferencia de VLS, la semilla catalítica permanece en estado sólido cuando se somete a un recocido del sustrato a alta temperatura. Este tipo de síntesis se utiliza ampliamente para sintetizar nanocables de siliciuro metálico / germanuro mediante la aleación VSS entre un sustrato de cobre y un precursor de silicio / germanio.
Síntesis en fase de solución
La síntesis en fase de solución se refiere a técnicas que hacen crecer nanocables en solución. Pueden producir nanocables de muchos tipos de materiales. La síntesis en fase de solución tiene la ventaja de que puede producir cantidades muy grandes, en comparación con otros métodos. En una técnica, la síntesis de poliol , el etilenglicol es tanto disolvente como agente reductor. Esta técnica es particularmente versátil para producir nanocables de oro, [11] plomo, platino y plata.
El método de crecimiento supercrítico fluido-líquido-sólido [12] [13] se puede utilizar para sintetizar nanocables semiconductores, por ejemplo, Si y Ge. Mediante el uso de nanocristales de metal como semillas, [14] Si y Ge precursores organometálicos se alimentan a un reactor lleno con un disolvente orgánico supercrítico, tal como tolueno. La termólisis da como resultado la degradación del precursor, lo que permite la liberación de Si o Ge y la disolución en los nanocristales metálicos. A medida que se agrega más soluto semiconductor de la fase supercrítica (debido a un gradiente de concentración), se precipita un cristalito sólido y un nanocable crece uniaxialmente a partir de la semilla de nanocristales.
Crecimiento no catalítico
Los nanocables también se pueden cultivar sin la ayuda de catalizadores, lo que da la ventaja de los nanocables puros y minimiza el número de pasos tecnológicos. Los métodos más sencillos para obtener nanocables de óxido metálico utilizan el calentamiento ordinario de los metales, por ejemplo, un cable metálico calentado con una batería, mediante calentamiento Joule en el aire [15] que se puede realizar fácilmente en casa. La gran mayoría de los mecanismos de formación de nanocables se explican mediante el uso de nanopartículas catalíticas, que impulsan el crecimiento de los nanocables y se agregan intencionalmente o se generan durante el crecimiento. Sin embargo, los mecanismos para el crecimiento sin catalizador de nanocables (o bigotes) se conocían desde la década de 1950. [16] La formación espontánea de nanocables por métodos no catalíticos se explica por la dislocación presente en direcciones específicas [17] [18] o la anisotropía de crecimiento de varias caras de cristal . Más recientemente, después del avance de la microscopía, se demostró el crecimiento de nanocables impulsado por dislocaciones de tornillos [19] [20] o límites gemelos [21] . La imagen de la derecha muestra el crecimiento de una sola capa atómica en la punta de un nanoalambre de CuO, observado por microscopía TEM in situ durante la síntesis no catalítica de nanoalambres.
Síntesis de nanocables metálicos con plantilla de ADN
Un campo emergente es el uso de cadenas de ADN como andamios para la síntesis de nanocables metálicos. Este método se investiga tanto para la síntesis de nanocables metálicos en componentes electrónicos como para aplicaciones de biosensores, en las que permiten la transducción de una hebra de ADN en un nanoalambre metálico detectable eléctricamente. Normalmente, las hebras de ssDNA se estiran, después de lo cual se decoran con nanopartículas metálicas que se han funcionalizado con hebras cortas complementarias de ssDNA. [22] [23] [24] [25]
Litografía de máscara de sombra definida por grietas
Recientemente se ha informado de un método simple para producir nanocables con geometrías definidas utilizando litografía óptica convencional. [26] En este enfoque, la litografía óptica se utiliza para generar nanogaps mediante la formación de grietas controlada. [27] Estos nanogaps se utilizan luego como máscara de sombra para generar nanocables individuales con longitudes y anchos precisos. Esta técnica permite producir nanocables individuales por debajo de 20 nm de ancho de forma escalable a partir de varios materiales metálicos y de óxidos metálicos.
Física
Conductividad de nanocables
Varias razones físicas predicen que la conductividad de un nanoalambre será mucho menor que la del correspondiente material a granel. En primer lugar, existe una dispersión desde los límites de los cables, cuyo efecto será muy significativo siempre que el ancho del cable esté por debajo de la trayectoria libre media de electrones libres del material a granel. En el cobre, por ejemplo, el camino libre medio es de 40 nm. Los nanocables de cobre de menos de 40 nm de ancho acortarán el camino libre medio al ancho del cable. Los nanocables de plata tienen una conductividad eléctrica y térmica muy diferente a la de la plata a granel. [28]
Los nanocables también presentan otras propiedades eléctricas peculiares debido a su tamaño. A diferencia de los nanotubos de carbono de pared simple, cuyo movimiento de electrones puede caer bajo el régimen de transporte balístico (lo que significa que los electrones pueden viajar libremente de un electrodo a otro), la conductividad de los nanocables está fuertemente influenciada por los efectos de borde. Los efectos de borde provienen de los átomos que se encuentran en la superficie del nanoalambre y no están completamente unidos a los átomos vecinos como los átomos dentro de la mayor parte del nanoalambre. Los átomos no unidos son a menudo una fuente de defectos dentro del nanoalambre y pueden hacer que el nanoalambre conduzca la electricidad de manera más pobre que el material a granel. A medida que un nanoalambre se reduce de tamaño, los átomos de la superficie se vuelven más numerosos en comparación con los átomos dentro del nanoalambre, y los efectos de borde se vuelven más importantes.
Además, la conductividad puede sufrir una cuantificación en energía: es decir, la energía de los electrones que atraviesan un nanoalambre puede asumir solo valores discretos, que son múltiplos del cuanto de conductancia G = 2e 2 / h (donde e es la carga del electrón y h es la constante de Planck (véase también el efecto Hall cuántico ).
Por tanto, la conductividad se describe como la suma del transporte por canales separados de diferentes niveles de energía cuantificados. Cuanto más delgado es el cable, menor es el número de canales disponibles para el transporte de electrones.
Esta cuantificación se ha demostrado midiendo la conductividad de un nanoalambre suspendido entre dos electrodos mientras se tira de él: a medida que su diámetro se reduce, su conductividad disminuye de forma escalonada y las mesetas corresponden a múltiplos de G.
La cuantificación de la conductividad es más pronunciada en semiconductores como Si o GaAs que en metales, debido a su menor densidad electrónica y menor masa efectiva. Se puede observar en aletas de silicio de 25 nm de ancho y da como resultado un voltaje umbral aumentado . En términos prácticos, esto significa que un MOSFET con aletas de silicio a nanoescala, cuando se usa en aplicaciones digitales, necesitará un voltaje de puerta (control) más alto para encender el transistor. [29]
Nanocables de soldadura
Para incorporar la tecnología de nanocables en aplicaciones industriales, los investigadores en 2008 desarrollaron un método para soldar nanocables: se coloca un nanoalambre de metal de sacrificio adyacente a los extremos de las piezas a unir (utilizando los manipuladores de un microscopio electrónico de barrido ); luego se aplica una corriente eléctrica, que fusiona los extremos del cable. La técnica fusiona cables tan pequeños como 10 nm. [30]
Para nanocables con diámetros inferiores a 10 nm, las técnicas de soldadura existentes, que requieren un control preciso del mecanismo de calentamiento y que pueden introducir la posibilidad de daños, no serán prácticas. Recientemente, los científicos descubrieron que los nanocables de oro ultrafinos monocristalinos con diámetros de ~ 3 a 10 nm se pueden "soldar en frío" en segundos mediante contacto mecánico solo y bajo presiones aplicadas notablemente bajas (a diferencia del proceso de soldadura en frío a macro y micro escala ) . [31] La microscopía electrónica de transmisión de alta resolución y las mediciones in situ revelan que las soldaduras son casi perfectas, con la misma orientación cristalina, resistencia y conductividad eléctrica que el resto del nanoalambre. La alta calidad de las soldaduras se atribuye a las dimensiones de la muestra a nanoescala, los mecanismos de fijación orientada y la rápida difusión superficial asistida mecánicamente . También se demostraron soldaduras de nanocables entre oro y plata, y nanocables de plata (con diámetros de ~ 5 a 15 nm) a temperatura cercana a la ambiente, lo que indica que esta técnica puede ser generalmente aplicable para nanocables metálicos ultrafinos. En combinación con otras tecnologías de nano y microfabricación, [32] [33] se prevé que la soldadura en frío tenga aplicaciones potenciales en el futuro ensamblaje ascendente de nanoestructuras metálicas unidimensionales.
Propiedades mecánicas de los nanocables
Investigación de las propiedades mecánicas de los nanocables.
El estudio de la mecánica de los nanocables ha experimentado un auge desde la llegada del Microscopio de Fuerza Atómica (AFM) y las tecnologías asociadas que han permitido el estudio directo de la respuesta del nanoalambre a una carga aplicada. [34] Específicamente, un nanoalambre puede sujetarse desde un extremo y el extremo libre desplazado por una punta AFM. En esta geometría en voladizo, la altura del AFM se conoce con precisión y la fuerza aplicada se conoce con precisión. Esto permite la construcción de una curva de fuerza frente a desplazamiento, que se puede convertir en una curva de tensión frente a deformación si se conocen las dimensiones de los nanocables. A partir de la curva tensión-deformación, se puede derivar la constante elástica conocida como módulo de Young , así como la tenacidad y el grado de endurecimiento por deformación .
Módulo de Young de nanocables
El componente elástico de la curva de tensión-deformación descrita por el módulo de Young se ha informado para nanocables, sin embargo, el módulo depende en gran medida de la microestructura. Por tanto, falta una descripción completa de la dependencia del módulo con el diámetro. Analíticamente, se ha aplicado la mecánica del continuo para estimar la dependencia del módulo con el diámetro: en tensión, donde es el módulo de volumen, es el espesor de una capa exterior en la que el módulo depende de la superficie y varía del volumen, es el módulo de superficie, y es el diámetro. [34] Esta ecuación implica que el módulo aumenta a medida que disminuye el diámetro. Sin embargo, varios métodos computacionales, como la dinámica molecular, han predicho que el módulo debería disminuir a medida que disminuye el diámetro.
Experimentalmente, se ha demostrado que los nanocables de oro tienen un módulo de Young que es efectivamente independiente del diámetro. [35] De manera similar, se aplicó nano-indentación para estudiar el módulo de nanocables de plata, y nuevamente se encontró que el módulo era 88 GPa, muy similar al módulo de plata a granel (85 GPa) [36] Estos trabajos demostraron que el la dependencia determinada del módulo parece estar suprimida en muestras de nanocables donde la estructura cristalina se parece mucho a la del sistema a granel.
Por el contrario, se han estudiado los nanocables sólidos de Si, y se ha demostrado que tienen un módulo decreciente con el diámetro [37]. Los autores de ese trabajo informan un módulo de Si que es la mitad del valor global, y sugieren que la densidad de los defectos puntuales, yo la pérdida de estequiometría química puede explicar esta diferencia.
Límite elástico de los nanocables
El componente plástico de la curva de tensión-deformación (o más exactamente el inicio de la plasticidad) se describe mediante el límite elástico . La resistencia de un material aumenta al disminuir el número de defectos en el sólido, lo que ocurre naturalmente en los nanomateriales donde se reduce el volumen del sólido. A medida que un nanoalambre se reduce a una sola línea de átomos, la resistencia teóricamente debería aumentar hasta llegar a la resistencia a la tracción molecular. [34] Los nanocables de oro se han descrito como de "resistencia ultraalta" debido al aumento extremo del límite elástico, acercándose al valor teórico de E / 10. [35] Se determina que este enorme aumento en el rendimiento se debe a la falta de dislocaciones en el sólido. Sin movimiento de dislocación, está en funcionamiento un mecanismo de "dislocación-inanición". En consecuencia, el material puede experimentar grandes tensiones antes de que sea posible el movimiento de dislocación y luego comienza a endurecerse por deformación. Por estas razones, los nanocables (descritos históricamente como 'bigotes') se han utilizado ampliamente en compuestos para aumentar la resistencia general de un material. [34] Además, los nanocables continúan siendo estudiados activamente, con investigaciones que apuntan a traducir propiedades mecánicas mejoradas a dispositivos novedosos en los campos de MEMS o NEMS .
Aplicaciones
Dispositivos electrónicos
Los nanocables se pueden utilizar para MOSFET ( transistores de efecto de campo MOS ). Los transistores MOS se utilizan ampliamente como elementos de construcción fundamentales en los circuitos electrónicos actuales. [38] [39] Como predijo la ley de Moore , la dimensión de los transistores MOS se está reduciendo cada vez más a nanoescala. Uno de los desafíos clave de la construcción de futuros transistores MOS a nanoescala es garantizar un buen control de puerta sobre el canal. Debido a la alta relación de aspecto, si el dieléctrico de la compuerta se envuelve alrededor del canal de nanocables, podemos obtener un buen control del potencial electrostático del canal, activando y desactivando el transistor de manera eficiente.
Debido a la estructura unidimensional única con propiedades ópticas notables, el nanoalambre también abre nuevas oportunidades para realizar dispositivos fotovoltaicos de alta eficiencia. [40] En comparación con sus contrapartes a granel, las células solares de nanocables son menos sensibles a las impurezas debido a la recombinación a granel, por lo que se pueden usar obleas de silicio con menor pureza para lograr una eficiencia aceptable, lo que lleva a una reducción en el consumo de material. [41]
Para crear elementos electrónicos activos, el primer paso clave fue dopar químicamente un nanoalambre semiconductor. Esto ya se ha hecho con nanocables individuales para crear semiconductores de tipo py tipo n.
El siguiente paso fue encontrar una manera de crear una unión p – n , uno de los dispositivos electrónicos más simples. Esto se logró de dos maneras. La primera forma era cruzar físicamente un cable tipo p sobre un cable tipo n. El segundo método implicó dopar químicamente un solo alambre con diferentes dopantes a lo largo de la longitud. Este método creó una unión pn con un solo cable.
Después de que se construyeron las uniones pn con nanocables, el siguiente paso lógico fue construir puertas lógicas . Al conectar varias uniones pn juntas, los investigadores han podido crear la base de todos los circuitos lógicos: las puertas Y , O y NO se han construido a partir de cruces de nanocables semiconductores.
En agosto de 2012, los investigadores informaron sobre la construcción de la primera puerta NAND a partir de nanocables de silicio sin dopar. Esto evita el problema de cómo lograr el dopaje de precisión de los nanocircuitos complementarios, que está sin resolver. Pudieron controlar la barrera Schottky para lograr contactos de baja resistencia colocando una capa de siliciuro en la interfaz metal-silicio. [42]
Es posible que los cruces de nanocables de semiconductores sean importantes para el futuro de la informática digital. Aunque hay otros usos para los nanocables más allá de estos, los únicos que realmente aprovechan la física en el régimen nanométrico son los electrónicos. [43]
Además, los nanocables también se están estudiando para su uso como guías de ondas de fotones balísticos como interconexiones en matrices lógicas de fotones de pozo de efecto cuántico / punto cuántico. Los fotones viajan dentro del tubo, los electrones viajan por la capa exterior.
Cuando dos nanocables que actúan como guías de ondas de fotones se cruzan, la unión actúa como un punto cuántico .
La conducción de nanocables ofrece la posibilidad de conectar entidades de escala molecular en una computadora molecular. Se están investigando dispersiones de nanocables conductores en diferentes polímeros para su uso como electrodos transparentes para pantallas planas flexibles.
Debido a sus altos módulos de Young , se está investigando su uso en compuestos de mejora mecánica. Debido a que los nanocables aparecen en paquetes, pueden usarse como aditivos tribológicos para mejorar las características de fricción y la confiabilidad de los transductores y actuadores electrónicos.
Debido a su alta relación de aspecto, los nanocables también son especialmente adecuados para la manipulación dielectroforética , [44] [45] [46] que ofrece un enfoque ascendente y de bajo costo para integrar nanocables de óxido metálico dieléctrico suspendido en dispositivos electrónicos como UV, sensores de vapor de agua y etanol. [47]
Debido a su gran relación superficie-volumen, se informa que las reacciones físico-químicas son favorables en la superficie de los nanocables. Esto puede facilitar que los mecanismos de degradación operen en algunos nanocables bajo ciertas condiciones de procesamiento, como en un entorno de plasma. [48]
Dispositivos de nanocables individuales para detección de gases y sustancias químicas
Como se mencionó anteriormente, la alta relación de aspecto de los nanocables hace que estas nanoestructuras sean adecuadas para la detección electroquímica con el potencial de máxima sensibilidad. Uno de los desafíos para el uso de nanocables en productos comerciales está relacionado con el aislamiento, manipulación e integración de nanocables en un circuito eléctrico cuando se utiliza el enfoque de recogida y colocación manual y convencional, lo que conduce a un rendimiento muy limitado. Los desarrollos recientes en los métodos de síntesis de nanocables permiten ahora la producción en paralelo de dispositivos de nanocables únicos con aplicaciones útiles en electroquímica, fotónica y detección de gases y biodetección. [26]
Láseres de nanocables
Láseres de nanocables son nano-escala láseres con potencial como interconexiones ópticas y la comunicación óptica de datos en el chip. Los láseres de nanocables se construyen a partir de heteroestructuras de semiconductores III – V, el alto índice de refracción permite una baja pérdida óptica en el núcleo de nanocables. Los láseres de nanocables son láseres de sublongitud de onda de sólo unos pocos cientos de nanómetros. [49] [50] Los láseres de nanocables son cavidades de resonador Fabry-Perot definidas por las facetas terminales del cable con alta reflectividad, desarrollos recientes han demostrado tasas de repetición superiores a 200 GHz que ofrecen posibilidades para comunicaciones ópticas a nivel de chip. [51] [52]
Detección de proteínas y productos químicos mediante nanocables semiconductores
De forma análoga a los dispositivos FET en los que la modulación de la conductancia (flujo de electrones / huecos) en el semiconductor, entre los terminales de entrada (fuente) y salida (drenaje), está controlada por la variación de potencial electrostático (puerta-electrodo) de los portadores de carga en el canal de conducción del dispositivo, la metodología de un Bio / Chem-FET se basa en la detección del cambio local en la densidad de carga, o el llamado "efecto de campo", que caracteriza el evento de reconocimiento entre una molécula diana y el receptor de superficie.
Este cambio en el potencial de superficie influye en el dispositivo Chem-FET exactamente como lo hace un voltaje de "puerta", lo que lleva a un cambio detectable y medible en la conducción del dispositivo. Cuando estos dispositivos se fabrican utilizando nanocables semiconductores como elemento transistor, la unión de una especie química o biológica a la superficie del sensor puede conducir al agotamiento o acumulación de portadores de carga en la "masa" del nanocable de diámetro nanométrico, es decir (cruz pequeña sección disponible para canales de conducción). Además, el cable, que sirve como canal conductor sintonizable, está en estrecho contacto con el entorno de detección del objetivo, lo que conduce a un tiempo de respuesta corto, junto con un aumento de órdenes de magnitud en la sensibilidad del dispositivo como resultado de la enorme Relación S / V de los nanocables.
Si bien se han utilizado varios materiales semiconductores inorgánicos como Si, Ge y óxidos metálicos (por ejemplo, In2O3, SnO2, ZnO, etc.) para la preparación de nanocables, el Si suele ser el material de elección cuando se fabrican quimio / biosensores basados en nanocables FET. . [53]
Varios ejemplos del uso de dispositivos de detección de nanocables de silicio (SiNW) incluyen la detección ultrasensible en tiempo real de proteínas biomarcadores para el cáncer, la detección de partículas de virus individuales y la detección de materiales explosivos nitro-aromáticos como 2,4,6 Tri-nitrotolueno (TNT) en sensibles superiores a los de los caninos. [54] Los nanocables de silicio también podrían usarse en su forma retorcida, como dispositivos electromecánicos, para medir fuerzas intermoleculares con gran precisión. [55]
Limitaciones de la detección con dispositivos FET de nanocables de silicio
Por lo general, las cargas de las moléculas y macromoléculas disueltas se analizan mediante contraiones disueltos, ya que en la mayoría de los casos las moléculas unidas a los dispositivos se separan de la superficie del sensor aproximadamente entre 2 y 12 nm (el tamaño de las proteínas receptoras o los conectores de ADN unidos al sensor superficie). Como resultado del cribado, el potencial electrostático que surge de las cargas en la molécula de analito decae exponencialmente hacia cero con la distancia. Por lo tanto, para una detección óptima, la longitud de Debye debe seleccionarse cuidadosamente para las mediciones de FET de nanocables. Un enfoque para superar esta limitación emplea la fragmentación de las unidades de captura de anticuerpos y el control sobre la densidad del receptor de superficie, lo que permite una unión más íntima al nanoalambre de la proteína diana. Este enfoque resultó útil para mejorar drásticamente la sensibilidad de la detección de biomarcadores cardíacos (por ejemplo, troponina ) directamente del suero para el diagnóstico de infarto agudo de miocardio. [56]
Transferencia asistida por nanocables de muestras TEM sensibles
Para una introducción mínima de tensión y flexión a las muestras de microscopía electrónica de transmisión (TEM) ( laminillas , películas delgadas y otras muestras mecánicas y sensibles al haz), cuando se transfieren dentro de un haz de iones enfocado (FIB), se pueden unir nanocables metálicos flexibles a un micromanipulador típicamente rígido .
Las principales ventajas de este método incluyen una reducción significativa del tiempo de preparación de la muestra (soldadura rápida y corte de nanocables a baja corriente de haz) y minimización de flexión inducida por tensión, contaminación de Pt y daño por haz de iones. [57] Esta técnica es particularmente adecuada para la preparación de muestras de microscopía electrónica in situ .
Nanocables similares al maíz
El nanoalambre similar al maíz es un nanoalambre unidimensional con nanopartículas interconectadas en la superficie, lo que proporciona un gran porcentaje de facetas reactivas. Los nanocables similares al maíz de TiO 2 se prepararon por primera vez mediante un concepto de modificación de la superficie utilizando un mecanismo de tensión de tensión superficial a través de dos operaciones hidrotermales consecutivas, y mostraron un aumento del 12% en la eficiencia de las células solares sensibilizadas con colorante en la capa de dispersión de luz. [58] Los nanocables similares al maíz CdSe cultivados por deposición en baño químico y los fotocatalizadores γ-Fe 2 O 3 @SiO 2 @TiO 2 similares al maíz inducidos por interacciones de dipolos magnéticos también se han informado anteriormente. [59] [60]
Ver también
- Nanocables bacterianos
- Nanotubos inorgánicos
- Nanocables moleculares
- Nanoantena
- Nanorods
- Batería de nanocables
- Nanocables de silicio
- Célula solar
Referencias
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enlaces externos
- Nanohedron.com | Galería de imágenes de nano Se incluyen varias imágenes de nanocables en las galerías.
- La batería de nanocables de Stanford tiene 10 veces la carga de las existentes
- Artículo original sobre el efecto Hall cuántico: K. v. Klitzing, G. Dorda y M. Pepper; Phys. Rev. Lett. 45, 494-497 (1980).
- El nanocable teórico más fuerte producido en la Universidad de Melbourne de Australia.
- Los ingenieros de Penn diseñan una memoria de computadora electrónica en forma de nanoescala que recupera datos 1000 veces más rápido.
- Los nanocables de Pt de un átomo de espesor y cientos de nanómetros de largo son uno de los mejores ejemplos de autoensamblaje. (Universidad de Twente)