Nya banbrytande optiska sensorer tillverkade med nanoteknik

Om nanoteknik och nanotrådar

Nanotrådar har en typisk längd om några mikrometer (1 mikrometer = 1 miljondels meter), medan diametern varierar mellan någon nanometer (1 nanometer = 1 miljarddels meter) till flera hundra nanometer. Genom den lilla storleken och möjligheten att kontrollera olika material på en atomskala beskrivs ofta nanoteknik som ”atomslöjd” – att designa material på atomnivå. Nanotrådarnas egenskaper kan varieras beroende på materialsammansättning, diameter och längd.

Det som gör nanoteknik så speciellt är att ämnen beter sig annorlunda på nanonivå än vad de gör i en större skala. Våra vanliga fysikaliska lagar gäller ofta inte längre, utan ersätts av kvantfysik. Som exempel kan nämnas att elektronerna i de små inbäddade InAsP segmenten, som beskrivits ovan (se mikroskopbilder), beter sig som ett slags vågor som styrs av kvantmekaniska lager. Segmenten kallas därför för kvantdiskar (quantum discs). Genom att optimera tjockleken på segmenten kan man skräddarsy deras elektriska och optiska egenskaper. I ett annat arbete som nyligen skickats in till en världsledande tidskrift har forskarna för första gången lyckats skapa interna optiska resonanser i enstaka kvantdiskar med ljus med mycket lång våglängd, vilket öppnar för möjligheten att med samma nanotrådar göra extremt ”bredbandiga” detektorer som är känsliga över mycket stora våglängdsintervall. I ytterligare ett annat arbete har de skapat de första nanotrådsdetektorerna med en intern förstärkare i form av ett annat materialsegment helt integrerad i ena änden av nanotråden.

– Förutom stor potential för framtidens smarta optoelektroniksystem och materialsystem, leder forskningsprojektet till fundamentalt ny kunskap kring optoelektronik och materialfysik. Denna grundforskning är både rolig att försöka förstå och absolut nödvändig för att skapa banbrytande nya komponenter, säger Håkan Pettersson.

Andra fördelar med nanopartiklar, som till exempel nanotrådar, är att de har en väldigt stor yta i förhållande till sin volym. Detta har stor betydelse för tillverkning av exempelvis nya typer av biosensorer. Nanoteknik används redan nu inom en rad olika tillämpningsområden av biologi, fysik och kemi, till exempel inom utveckling av nya material, elektronik, medicin, bioteknik och energiteknik.

1 nm = 0,000000001 m

Ett mänskligt hårstrå är ca 50 000 nanometer tjockt.

Källor: Nobelmuseet, Stiftelsen för Strategisk Forskning och SwedNanoTech.

Om metoden för att tillverka nanotrådar

Forskarna skapar ett mönster av små guldpartiklar på den yta (ett chip) där nanotrådarna ska växa. Chipet stoppas in i en slags avancerad ugn som hettas upp. Sedan tillförs gaser som innehåller de grundämnen (indium, arsenik och fosfor) som ska bilda nanotrådens olika skikt, i detta fall indiumfosfid (InP) och indiumarsenidfosfid (InAsP). Guldpartiklarna katalyserar växten, det vill säga det växer en nanotråd under guldpartiklarna. En guldpartikel kan ses i figur c) ovan som det ljusa, halvklotformade objektet i högra änden av nanotråden. Genom att byta gaser kan skikt av olika material växa ovanpå varandra. Ett snabbt byte av gaser ger oerhört tunna skikt (kvantdiskar) av olika material längs med trådarna. Nanotrådarna kan växas med en förhållandevis enkel och självorganiserande teknik där atomerna hittar rätt plats automatiskt.