Nanowire - Nanowire

Um nanofio é uma nanoestrutura com diâmetro da ordem de um nanômetro ( 10-9 metros). Também pode ser definido como a razão entre o comprimento e a largura sendo maior do que 1000. Alternativamente, os nanofios podem ser definidos como estruturas que têm uma espessura ou diâmetro restrito a dezenas de nanômetros ou menos e um comprimento irrestrito. Nessas escalas, os efeitos da mecânica quântica são importantes - o que criou o termo " fios quânticos ". Existem muitos tipos diferentes de nanofios, incluindo supercondutores (por exemplo, YBCO ), metálicos (por exemplo , Ni , Pt , Au , Ag), semicondutores (por exemplo, nanofios de silício (SiNWs) , InP , GaN ) e isolantes (por exemplo, SiO 2 , TiO 2 ). Os nanofios moleculares são compostos de unidades moleculares repetidas, tanto orgânicas (por exemplo, DNA ) ou inorgânicas (por exemplo, Mo 6 S 9 − x I x ).

Visão geral

Nanofio cristalino de seleneto de estanho de 2 × 2 átomos cultivado dentro de um nanotubo de carbono de parede única (diâmetro do tubo ~ 1 nm).
Uma imagem HRTEM filtrada por ruído de um nanofio extremo HgTe embutido no poro central de um SWCNT. A imagem também é acompanhada por uma simulação da estrutura cristalina.

Nanofios típicos exibem relações de aspecto (relação comprimento-largura) de 1000 ou mais. Como tal, são frequentemente referidos como materiais unidimensionais (1-D). Os nanofios têm muitas propriedades interessantes que não são vistas em materiais a granel ou 3-D (tridimensionais). Isso ocorre porque os elétrons nos nanofios são quânticos confinados lateralmente e, portanto, ocupam níveis de energia que são diferentes do continuum tradicional de níveis de energia ou bandas encontrados em materiais a granel.

Características peculiares desse confinamento quântico exibido por certos nanofios se manifestam em valores discretos da condutância elétrica . Esses valores discretos surgem de uma restrição da mecânica quântica no número de elétrons que podem viajar através do fio em escala nanométrica. Esses valores discretos são frequentemente chamados de quantum de condutância e são múltiplos inteiros de

Eles são inversos da conhecida unidade de resistência h / e 2 , que é aproximadamente igual a 25812,8 ohms , e conhecida como constante de von Klitzing R K ( em homenagem a Klaus von Klitzing , o descobridor da quantização exata ). Desde 1990, um valor convencional fixo R K-90 é aceito.

Exemplos de nanofios incluem nanofios moleculares inorgânicos (Mo 6 S 9 − x I x , Li 2 Mo 6 Se 6 ), que podem ter um diâmetro de 0,9 nm e centenas de micrômetros de comprimento. Outros exemplos importantes são baseados em semicondutores como InP, Si, GaN, etc., dielétricos (por exemplo, SiO 2 , TiO 2 ) ou metais (por exemplo, Ni, Pt).

Existem muitas aplicações onde os nanofios podem se tornar importantes em dispositivos eletrônicos, optoeletrônicos e nanoeletromecânicos, como aditivos em compósitos avançados, para interconexões metálicas em dispositivos quânticos em nanoescala, como emissores de campo e como condutores para nanosensores biomoleculares.

Síntese

Uma imagem de SEM de heteroestruturas de nanofios epitaxiais cultivadas a partir de nanopartículas de ouro catalíticas.

Existem duas abordagens básicas para sintetizar nanofios: de cima para baixo e de baixo para cima . Uma abordagem de cima para baixo reduz um grande pedaço de material a pequenos pedaços, por vários meios, como litografia , moagem ou oxidação térmica . Uma abordagem ascendente sintetiza o nanofio combinando adátomos constituintes . A maioria das técnicas de síntese usa uma abordagem ascendente. A síntese inicial por meio de qualquer um dos métodos pode frequentemente ser seguida por uma etapa de tratamento térmico de nanofios , muitas vezes envolvendo uma forma de oxidação autolimitada, para ajustar o tamanho e a proporção das estruturas.

A produção de nanofios usa várias técnicas comuns de laboratório, incluindo suspensão, deposição eletroquímica, deposição de vapor e crescimento VLS . A tecnologia de rastreamento de íons permite o crescimento de nanofios homogêneos e segmentados até 8 nm de diâmetro. Como a taxa de oxidação dos nanofios é controlada pelo diâmetro, as etapas de oxidação térmica são frequentemente aplicadas para ajustar sua morfologia.

Suspensão

Um nanofio suspenso é um fio produzido em uma câmara de alto vácuo mantida nas extremidades longitudinais. Nanofios suspensos podem ser produzidos por:

  • A gravação química de um fio maior
  • O bombardeio de um fio maior, normalmente com íons altamente energéticos
  • Recortar a ponta de um STM na superfície de um metal próximo ao seu ponto de fusão e, em seguida, retraí-lo

Crescimento VLS

Uma técnica comum para criar um nanofio é o método vapor-líquido-sólido (VLS), que foi relatado pela primeira vez por Wagner e Ellis em 1964 para bigodes de silício com diâmetros variando de centenas de nm a centenas de µm. Este processo pode produzir nanofios cristalinos de alta qualidade de muitos materiais semicondutores, por exemplo, nanofios de silício monocristalino (SiNWs) crescidos em VLS com superfícies lisas podem ter excelentes propriedades, como elasticidade ultra grande. Este método usa um material de origem de partículas ablacionadas a laser ou um gás de alimentação, como silano .

A síntese de VLS requer um catalisador. Para os nanofios, os melhores catalisadores são os nanoclusters de metal líquido (como o ouro ) , que podem ser automontados a partir de um filme fino por desparafinação ou adquiridos na forma coloidal e depositados em um substrato.

A fonte entra nesses nanoclusters e começa a saturá-los. Ao atingir a supersaturação, a fonte se solidifica e cresce para fora do nanoaglomerado. Simplesmente desligar a fonte pode ajustar o comprimento final do nanofio. A troca de fontes ainda na fase de crescimento pode criar nanofios compostos com super-redes de materiais alternados. Por exemplo, um método denominado ENGRAVE (Codificado Nanowire Growth and Appearance through VLS and Etching) desenvolvido pelo Cahoon Lab em UNC-Chapel Hill permite o controle morfológico em escala nanométrica via modulação dopante in situ rápida .

Uma reação de fase de vapor de etapa única em temperatura elevada sintetiza nanofios inorgânicos, como Mo 6 S 9 − x I x . De outro ponto de vista, esses nanofios são polímeros de cluster .

Crescimento VSS Semelhante à síntese VLS, a síntese VSS (vapor-sólido-sólido) de nanofios (NWs) prossegue através da decomposição termolítica de um precursor de silício (tipicamente fenilsilano). Ao contrário do VLS, a semente catalítica permanece no estado sólido quando submetida ao recozimento de alta temperatura do substrato. Este tipo de síntese é amplamente utilizado para sintetizar nanofios de silicida de metal / germanida através da liga VSS entre um substrato de cobre e um precursor de silício / germânio.

Síntese de fase de solução

A síntese em fase de solução refere-se a técnicas que fazem crescer nanofios em solução. Eles podem produzir nanofios de muitos tipos de materiais. A síntese em fase de solução tem a vantagem de poder produzir quantidades muito grandes, em comparação com outros métodos. Em uma técnica, a síntese de poliol , o etilenoglicol é tanto solvente quanto agente redutor. Essa técnica é particularmente versátil na produção de nanofios de ouro, chumbo, platina e prata.

O método de crescimento fluido-líquido-sólido supercrítico pode ser usado para sintetizar nanofios semicondutores, por exemplo, Si e Ge. Usando nanocristais de metal como sementes, precursores organometálicos de Si e Ge são alimentados em um reator preenchido com um solvente orgânico supercrítico, como o tolueno. A termólise resulta na degradação do precursor, permitindo a liberação de Si ou Ge e a dissolução nos nanocristais de metal. À medida que mais soluto semicondutor é adicionado da fase supercrítica (devido a um gradiente de concentração), um cristalito sólido precipita e um nanofio cresce uniaxialmente a partir da semente do nanocristal.

Observação in situ do crescimento do nanofio CuO

Crescimento não catalítico

Os nanofios também podem ser cultivados sem a ajuda de catalisadores, o que oferece uma vantagem dos nanofios puros e minimiza o número de etapas tecnológicas. Os métodos mais simples para obter nanofios de óxido de metal usam o aquecimento comum dos metais, por exemplo, fio de metal aquecido com bateria, por aquecimento Joule no ar pode ser feito facilmente em casa. A grande maioria dos mecanismos de formação de nanofios é explicada pelo uso de nanopartículas catalíticas, que impulsionam o crescimento do nanofio e são adicionadas intencionalmente ou geradas durante o crescimento. No entanto, os mecanismos para o crescimento sem catalisador de nanofios (ou bigodes) eram conhecidos desde 1950. A formação espontânea de nanofios por métodos não catalíticos foi explicada pelo deslocamento presente em direções específicas ou pela anisotropia de crescimento de várias faces do cristal . Mais recentemente, após o avanço da microscopia, o crescimento do nanofio impulsionado por deslocamentos de parafuso ou limites de gêmeos foi demonstrado. A imagem à direita mostra o crescimento de uma única camada atômica na ponta do nanofio CuO, observado por microscopia TEM in situ durante a síntese não catalítica do nanofio.

Síntese de nanofios metálicos modelados por DNA

Um campo emergente é usar fitas de DNA como andaimes para a síntese de nanofios metálicos. Este método é investigado tanto para a síntese de nanofios metálicos em componentes eletrônicos quanto para aplicações de biossensorio, em que eles permitem a transdução de uma fita de DNA em um nanofio metálico que pode ser detectado eletricamente. Normalmente, as fitas de ssDNA são esticadas, após o que são decoradas com nanopartículas metálicas que foram funcionalizadas com curtas fitas de ssDNA complementares.

Litografia de máscara de sombra definida por rachadura

Um método simples para produzir nanofios com geometrias definidas foi relatado recentemente usando litografia óptica convencional. Nesta abordagem, a litografia óptica é usada para gerar nanogaps usando a formação de trincas controlada. Esses nanogaps são então usados ​​como máscara de sombra para gerar nanofios individuais com comprimentos e larguras precisas. Esta técnica permite produzir nanofios individuais abaixo de 20 nm de largura de uma forma escalável a partir de vários materiais metálicos e de óxido de metal.

Física

Condutividade de nanofios

Uma imagem SEM de um fio de níquel de 15 micrômetros.

Vários motivos físicos prevêem que a condutividade de um nanofio será muito menor do que a do material a granel correspondente. Primeiro, há o espalhamento dos limites do fio, cujo efeito será muito significativo sempre que a largura do fio estiver abaixo do caminho livre médio do elétron livre do material a granel. No cobre, por exemplo, o caminho livre médio é de 40 nm. Nanofios de cobre com menos de 40 nm de largura encurtarão o caminho livre médio para a largura do fio. Os nanofios de prata têm condutividade elétrica e térmica muito diferente da prata em massa.

Os nanofios também apresentam outras propriedades elétricas peculiares devido ao seu tamanho. Ao contrário dos nanotubos de carbono de parede única, cujo movimento dos elétrons pode cair sob o regime de transporte balístico (o que significa que os elétrons podem viajar livremente de um eletrodo para o outro), a condutividade do nanofio é fortemente influenciada pelos efeitos de borda. Os efeitos de borda vêm de átomos que ficam na superfície do nanofio e não estão totalmente ligados aos átomos vizinhos, como os átomos dentro da massa do nanofio. Os átomos não ligados são frequentemente uma fonte de defeitos dentro do nanofio e podem fazer com que o nanofio conduza eletricidade de forma mais fraca do que o material a granel. À medida que um nanofio diminui de tamanho, os átomos da superfície se tornam mais numerosos em comparação com os átomos dentro do nanofio, e os efeitos de borda se tornam mais importantes.

Além disso, a condutividade pode sofrer uma quantização em energia: ou seja, a energia dos elétrons que passam por um nanofio pode assumir apenas valores discretos, que são múltiplos da condutância quântica G = 2e 2 / h (onde e é a carga do elétron e h é a constante de Planck . Veja também o efeito Quantum Hall ).

A condutividade é, portanto, descrita como a soma do transporte por canais separados de diferentes níveis de energia quantizados. Quanto mais fino o fio, menor é o número de canais disponíveis para o transporte de elétrons.

Esta quantização foi demonstrada medindo a condutividade de um nanofio suspenso entre dois eletrodos enquanto o puxa: conforme seu diâmetro diminui, sua condutividade diminui gradativamente e os platôs correspondem a múltiplos de G.

A quantização da condutividade é mais pronunciada em semicondutores como Si ou GaAs do que em metais, devido à sua menor densidade de elétrons e menor massa efetiva. Ele pode ser observado em aletas de silício de 25 nm de largura e resulta em aumento de tensão de limiar . Em termos práticos, isso significa que um MOSFET com aletas de silício em nanoescala, quando usado em aplicações digitais, precisará de uma tensão de porta (controle) mais alta para ligar o transistor.

Nanofios de soldagem

Para incorporar a tecnologia de nanofios em aplicações industriais, pesquisadores em 2008 desenvolveram um método de soldagem de nanofios: um nanofio de metal sacrificial é colocado adjacente às extremidades das peças a serem unidas (usando os manipuladores de um microscópio eletrônico de varredura ); em seguida, uma corrente elétrica é aplicada, que funde as extremidades do fio. A técnica funde fios tão pequenos quanto 10 nm.

Para nanofios com diâmetros inferiores a 10 nm, as técnicas de soldagem existentes, que requerem controle preciso do mecanismo de aquecimento e podem apresentar a possibilidade de danos, não serão práticas. Recentemente, os cientistas descobriram que nanofios de ouro ultrafinos monocristalinos com diâmetros de ~ 3-10 nm podem ser "soldados a frio" juntos em segundos apenas por contato mecânico e sob pressões aplicadas notavelmente baixas (ao contrário do processo de soldagem a frio em macro e microescala ) . Microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução e medições in situ revelam que as soldas são quase perfeitas, com a mesma orientação do cristal, força e condutividade elétrica do resto do nanofio. A alta qualidade das soldas é atribuída às dimensões da amostra em nanoescala, mecanismos de fixação orientada e difusão rápida da superfície mecanicamente assistida . As soldas de nanofios também foram demonstradas entre ouro e prata, e nanofios de prata (com diâmetros de ~ 5–15 nm) próximos à temperatura ambiente, indicando que esta técnica pode ser geralmente aplicável para nanofios metálicos ultrafinos. Combinada com outras tecnologias de nano e microfabricação, a soldagem a frio deve ter aplicações potenciais na futura montagem ascendente de nanoestruturas metálicas unidimensionais.

Propriedades mecânicas de nanofios

Investigação das propriedades mecânicas de nanofios

A curva tensão-deformação fornece todas as propriedades mecânicas relevantes, incluindo; módulo de tração, resistência ao escoamento, resistência à tração final e resistência à fratura

O estudo da mecânica dos nanofios cresceu muito desde o advento do Microscópio de Força Atômica (AFM), e tecnologias associadas que permitiram o estudo direto da resposta do nanofio a uma carga aplicada. Especificamente, um nanofio pode ser preso em uma extremidade e a extremidade livre deslocada por uma ponta de AFM. Nesta geometria do cantilever, a altura do AFM é conhecida com precisão, e a força aplicada é conhecida com precisão. Isso permite a construção de uma curva de força x deslocamento, que pode ser convertida em uma curva de tensão x deformação se as dimensões dos nanofios forem conhecidas. A partir da curva tensão-deformação, a constante elástica conhecida como Módulo de Young pode ser derivada, bem como a tenacidade e o grau de endurecimento por deformação .

Módulo de nanofios de Young

A componente elástica da curva tensão-deformação descrita pelo Módulo de Young, tem sido relatada para nanofios, porém o módulo depende fortemente da microestrutura. Assim, falta uma descrição completa da dependência do módulo em relação ao diâmetro. Analiticamente, a mecânica do contínuo foi aplicada para estimar a dependência do módulo no diâmetro: em tensão, onde está o módulo de massa, é a espessura de uma camada de casca na qual o módulo é dependente da superfície e varia com a massa, é o módulo de superfície, e é o diâmetro. Esta equação implica que o módulo aumenta à medida que o diâmetro diminui. No entanto, vários métodos computacionais, como a dinâmica molecular, previram que o módulo deve diminuir à medida que o diâmetro diminui.

Experimentalmente, nanofios de ouro mostraram ter um módulo de Young que é efetivamente independente do diâmetro. Da mesma forma, a nanodentação foi aplicada para estudar o módulo de nanofios de prata, e novamente o módulo foi encontrado em 88 GPa, muito semelhante ao módulo de prata em massa (85 GPa). Esses trabalhos demonstraram que a dependência do módulo analiticamente determinado parece ser suprimido em amostras de nanofios onde a estrutura cristalina se assemelha muito à do sistema em massa.

Em contraste, nanofios sólidos de Si foram estudados e mostraram ter um módulo decrescente com o diâmetro. Os autores desse trabalho relatam um módulo de Si que é a metade do valor em massa e sugerem que a densidade dos defeitos pontuais e / ou perda da estequiometria química pode ser responsável por essa diferença.

Força de rendimento de nanofios

O componente plástico da curva de tensão deformação (ou mais precisamente o início da plasticidade) é descrito pela resistência ao escoamento . A resistência de um material é aumentada diminuindo o número de defeitos no sólido, o que ocorre naturalmente em nanomateriais onde o volume do sólido é reduzido. À medida que um nanofio é reduzido a uma única linha de átomos, a resistência deveria teoricamente aumentar até a resistência à tração molecular. Os nanofios de ouro têm sido descritos como 'resistência ultra-alta' devido ao aumento extremo na resistência ao escoamento, aproximando-se do valor teórico de E / 10. Este enorme aumento no rendimento é determinado devido à falta de deslocamentos no sólido. Sem movimento de deslocamento, um mecanismo de 'inanição de deslocamento' está em operação. O material pode, portanto, sofrer grandes tensões antes que o movimento de deslocamento seja possível, e então começa a endurecer por deformação. Por essas razões, os nanofios (historicamente descritos como 'bigodes') têm sido usados ​​extensivamente em compósitos para aumentar a resistência geral de um material. Além disso, os nanofios continuam a ser ativamente estudados, com pesquisas destinadas a traduzir propriedades mecânicas aprimoradas em novos dispositivos nas áreas de MEMS ou NEMS .

Formulários

Dispositivos eletrônicos

Resultado da simulação atomística para formação de canal de inversão (densidade de elétrons) e obtenção de tensão de limiar (IV) em um MOSFET nanofio. Observe que a tensão limite para este dispositivo está em torno de 0,45V.

Nanofios podem ser usados ​​para MOSFETs ( transistores de efeito de campo MOS ). Os transistores MOS são amplamente usados ​​como elementos de construção fundamentais nos circuitos eletrônicos atuais. Conforme previsto pela lei de Moore , a dimensão dos transistores MOS está encolhendo cada vez mais em nanoescala. Um dos principais desafios da construção de futuros transistores MOS em nanoescala é garantir um bom controle de porta sobre o canal. Devido à alta proporção de aspecto, se o dielétrico da porta for enrolado em torno do canal do nanofio, podemos obter um bom controle do potencial eletrostático do canal, ligando e desligando o transistor de forma eficiente.

Devido à estrutura unidimensional única com propriedades ópticas notáveis, o nanofio também abre novas oportunidades para a realização de dispositivos fotovoltaicos de alta eficiência. Em comparação com suas contrapartes em massa, as células solares de nanofio são menos sensíveis a impurezas devido à recombinação em massa e, portanto, wafers de silício com pureza mais baixa podem ser usados ​​para atingir eficiência aceitável, levando a uma redução no consumo de material.

Para criar elementos eletrônicos ativos, o primeiro passo importante foi dopar quimicamente um nanofio semicondutor. Isso já foi feito com nanofios individuais para criar semicondutores do tipo p e do tipo n.

A próxima etapa foi encontrar uma maneira de criar uma junção p – n , um dos dispositivos eletrônicos mais simples. Isso foi conseguido de duas maneiras. A primeira maneira era cruzar fisicamente um fio do tipo p sobre um fio do tipo n. O segundo método envolveu a dopagem química de um único fio com diferentes dopantes ao longo do comprimento. Este método criou uma junção pn com apenas um fio.

Depois que as junções pn foram construídas com nanofios, o próximo passo lógico foi construir portas lógicas . Ao conectar várias junções pn, os pesquisadores foram capazes de criar a base de todos os circuitos lógicos: as portas AND , OR e NOT foram todas construídas a partir de cruzamentos de nanofios semicondutores.

Em agosto de 2012, os pesquisadores relataram a construção da primeira porta NAND a partir de nanofios de silício não dopados. Isso evita o problema de como conseguir dopagem de precisão de nanocircuitos complementares, que não foi resolvido. Eles foram capazes de controlar a barreira Schottky para obter contatos de baixa resistência, colocando uma camada de silicida na interface metal-silício.

É possível que os cruzamentos de nanofios de semicondutores sejam importantes para o futuro da computação digital. Embora existam outros usos para os nanofios além desses, os únicos que realmente tiram vantagem da física no regime nanométrico são os eletrônicos.

Além disso, os nanofios também estão sendo estudados para uso como guias de ondas balísticas de fótons como interconexões em matrizes lógicas de fótons de pontos quânticos / efeitos quânticos. Os fótons viajam dentro do tubo, os elétrons viajam na camada externa.

Quando dois nanofios atuando como guias de onda de fótons se cruzam, a junção atua como um ponto quântico .

Os nanofios condutores oferecem a possibilidade de conectar entidades em escala molecular em um computador molecular. Dispersões de nanofios condutores em diferentes polímeros estão sendo investigadas para uso como eletrodos transparentes para telas planas flexíveis.

Por causa de seus altos módulos de Young , seu uso em compósitos de aprimoramento mecânico está sendo investigado. Como os nanofios aparecem em feixes, eles podem ser usados ​​como aditivos tribológicos para melhorar as características de fricção e a confiabilidade de transdutores e atuadores eletrônicos.

Devido à sua alta proporção de aspecto, os nanofios também são exclusivamente adequados para manipulação dieletroforética , que oferece uma abordagem de baixo custo e de baixo para cima para integrar nanofios de óxido de metal dielétrico suspenso em dispositivos eletrônicos, como UV, vapor de água e sensores de etanol.

Devido à sua grande proporção superfície-volume, as reações físico-químicas são relatadas como favoráveis ​​na superfície dos nanofios. Isso pode facilitar os mecanismos de degradação para operar em alguns nanofios sob certas condições de processamento, como em um ambiente de plasma.

Dispositivos de nanofio único para detecção química e de gás

Como mencionado anteriormente, a alta proporção de nanofios torna essas nanoestruturas adequadas para detecção eletroquímica com potencial de sensibilidade final. Um dos desafios para o uso de nanofios em produtos comerciais está relacionado ao isolamento, manuseio e integração de nanofios em um circuito elétrico ao usar a abordagem convencional e manual pick-and-place, levando a um rendimento muito limitado. Desenvolvimentos recentes nos métodos de síntese de nanofios agora permitem a produção paralela de dispositivos de nanofio único com aplicações úteis em eletroquímica, fotônica e gás e biossensor.

Lasers nanowire

Lasers nanofios para transmissão ultrarrápida de informações em pulsos de luz

Lasers de nanofios são nano-dimensionado lasers com potencial como interligações ópticas e de comunicação de dados óptico no chip. Os lasers nanofios são construídos a partir de heteroestruturas semicondutoras III-V, o alto índice de refração permite baixa perda óptica no núcleo do nanofio. Lasers nanofios são lasers de comprimento de onda de apenas algumas centenas de nanômetros. Lasers nanofios são cavidades de ressonador Fabry-Perot definidas pelas facetas finais do fio com alta refletividade. Desenvolvimentos recentes demonstraram taxas de repetição superiores a 200 GHz, oferecendo possibilidades para comunicações em nível de chip óptico.

Detecção de proteínas e produtos químicos usando nanofios semicondutores

De forma análoga aos dispositivos FET em que a modulação da condutância (fluxo de elétrons / buracos) no semicondutor, entre os terminais de entrada (fonte) e saída (dreno), é controlada pela variação do potencial eletrostático (porta-eletrodo) de os portadores de carga no canal de condução do dispositivo, a metodologia de um Bio / Chem-FET é baseada na detecção da mudança local na densidade de carga, ou o chamado "efeito de campo", que caracteriza o evento de reconhecimento entre uma molécula alvo e o receptor de superfície.

Esta mudança no potencial de superfície influencia o dispositivo Chem-FET exatamente como uma tensão de 'porta', levando a uma mudança detectável e mensurável na condução do dispositivo. Quando esses dispositivos são fabricados usando nanofios semicondutores como o elemento transistor, a ligação de uma espécie química ou biológica à superfície do sensor pode levar ao esgotamento ou acúmulo de portadores de carga no "volume" do nanômetro de diâmetro nanométrico, isto é (pequena cruz seção disponível para canais de condução). Além disso, o fio, que serve como um canal de condução sintonizável, está em contato próximo com o ambiente de detecção do alvo, levando a um curto tempo de resposta, juntamente com um aumento de ordens de magnitude na sensibilidade do dispositivo como resultado do enorme Razão S / V dos nanofios.

Embora vários materiais semicondutores inorgânicos, como Si, Ge e óxidos de metal (por exemplo, In2O3, SnO2, ZnO, etc.) tenham sido usados ​​para a preparação de nanofios, o Si é geralmente o material de escolha ao fabricar quimio / biossensores baseados em FET de nanofios .

Vários exemplos do uso de dispositivos de detecção de nanofio de silício (SiNW) incluem a detecção ultrassensível em tempo real de proteínas biomarcadoras para câncer, detecção de partículas virais únicas e detecção de materiais explosivos nitroaromáticos, como 2,4,6 Tri-nitrotolueno (TNT) em sensitivos superiores aos caninos. Nanofios de silício também poderiam ser usados ​​em sua forma torcida, como dispositivos eletromecânicos, para medir forças intermoleculares com grande precisão.

Limitações de detecção com dispositivos FET de nanofios de silício

Geralmente, as cargas nas moléculas e macromoléculas dissolvidas são rastreadas por contra-íons dissolvidos, uma vez que na maioria dos casos as moléculas ligadas aos dispositivos são separadas da superfície do sensor por aproximadamente 2–12 nm (o tamanho das proteínas receptoras ou ligantes de DNA ligados ao sensor superfície). Como resultado da triagem, o potencial eletrostático que surge das cargas na molécula do analito decai exponencialmente em direção a zero com a distância. Assim, para detecção ideal, o comprimento de Debye deve ser cuidadosamente selecionado para medições FET de nanofios. Uma abordagem para superar essa limitação emprega a fragmentação das unidades de captura de anticorpos e o controle sobre a densidade do receptor de superfície, permitindo uma ligação mais íntima ao nanofio da proteína alvo. Esta abordagem provou ser útil para aumentar drasticamente a sensibilidade de biomarcadores cardíacos (por exemplo, troponina ) detecção diretamente do soro para o diagnóstico de infarto agudo do miocárdio.

Transferência assistida por nanofio de amostras sensíveis de TEM

Para uma introdução mínima de estresse e flexão para amostras de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) ( lamelas , filmes finos e outras amostras sensíveis ao feixe e mecanicamente), ao transferir dentro de um feixe de íons focado (FIB), nanofios metálicos flexíveis podem ser anexados a um micromanipulador tipicamente rígido .

As principais vantagens deste método incluem uma redução significativa do tempo de preparação da amostra (soldagem rápida e corte de nanofio na corrente de feixe baixo) e minimização da flexão induzida por tensão, contaminação de Pt e danos ao feixe de íons. Esta técnica é particularmente adequada para a preparação de amostras de microscopia eletrônica in situ .

Nanofios semelhantes a milho

O nanofio semelhante ao milho é um nanofio unidimensional com nanopartículas interconectadas na superfície, fornecendo uma grande porcentagem de facetas reativas. Nanofios de TiO 2 semelhantes a milho foram preparados pela primeira vez por um conceito de modificação de superfície usando o mecanismo de tensão de tensão superficial por meio de duas operações hidrotérmicas consecutivas e mostraram um aumento de 12% na eficiência da célula solar sensibilizada com corante na camada de dispersão de luz. Nanofios semelhantes a milho CdSe crescidos por deposição de banho químico e fotocatalisadores γ-Fe 2 O 3 @SiO 2 @TiO 2 semelhantes a milho induzidos por interações dipolo magnéticas também foram relatados anteriormente.

Veja também

Referências

links externos