"Что выросло, то выросло" - эти слова можно произносить со вздохом, разводя руками. Американские же ученые имеют полное право произнести сакраментальную фразу с гордостью: выросли у них "нанорасчески" из ZnO.

Рис.1. Полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии изображение массива двухсторонних "нанорасчесок" ZnO.

Поверхность ионных кристаллов, состоящих из чередующихся плоскостей противоположно заряженных ионов, как правило не может быть стабильна без какой-либо "перестройки" структуры по сравнению с объемным материалом из-за наличия поверхностного электрического заряда. Широкозонный полупроводник ZnO является в этом отношении исключением. Поскольку по многим причинам (большая ширина запрещенной зоны, хорошие механические характеристики и т.п.) ZnO является весьма перспективным с точки зрения практических приложений материалом, то исследованию его свойств в последние годы уделяется большое внимание. В частности, обсуждаются различные механизмы, обеспечивающие стабильность полярных поверхностей оксида цинка. Одно из проявлений различия свойств поверхностей с разным зарядом обнаружили ученые из Технологического института в Джорджии и Университета Иллинойса при исследовании роста наноструктур из ZnO [1].

Если часто для получения наноструктур используются достаточно сложные технологии (молекулярно-лучевая эпитаксия и т.д.), то экспериментах американских ученых структуры "растут сами". Реактор для синтеза наноструктур представлял собой трубчатую печь, в которой у исследователей есть возможность регулировать температуру, давление и ряд других параметров. В ней была расположена алюминиевая труба, в центре которой находился порошок ZnO. В процессе синтеза поддерживалась температура печи, равная 1350 C, и происходила сублимация ZnO; пары конденсировались на подложке из плавленного кремния, находящейся в одном из концов алюминиевой трубы и поддерживаемой при температуре около 500 C. Процесс испарения занимал 45 минут, никакие катализаторы для синтеза структур не использовались.

Рис.2. Полученное с помощью просвечивающей электронной микроскопии изображение двухсторонней нанорасчески; на вставках картина дифракции электронов и увеличенные изображения двух участков структуры.

Выращенные структуры показаны на рис. 1, видно, что они напоминают расчески - это "ленты" из ZnO с достаточно большими "зубцами" на их торцах. Если приглядеться к ним повнимательнее (рис. 2), то можно заметить, что, во-первых, "зубцы" расположены достаточно упорядочено, и, во-вторых, нанорасчески на самом деле двусторонние и асимметричные: с одной стороны размеры "зубцов" явно больше. Более того, на стороне "расчески", где выросли зубцы поменьше, на самом деле наблюдается два ряда зубчиков, а не один (схематически форма зубцов на противоположных поверхностях показана на рис.3). Для больших нанозубцов размеры основания в порядка 300 нм, а толщина наконечника порядка 40 нм, маленькие же зубцы еще более однородны по своим размерам (имеют длину порядка 300 нм и ширину порядка 20 нм). Варьируя технологические параметры (например, температуру роста) можно добиться, чтобы "зубцы" росли не с двух, а только с одной из сторон.

Исследования с помощью методики дифракции сходящегося электронного пучка показали, что большие зубцы растут на положительно заряженной поверхности (покрытой цинком), а отрицательно заряженная поверхность (покрытая кислородом) химически инертна - на ней зубцов не растет (как можно видеть на схеме - рис.3. зубчики растут "на скосах"). Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения показала, что на покрытой цинком поверхности в области существуют субнанометровые кластеры цинка, которые, возможно, и служат катализаторами для роста нанозубцов.

Рис.3. Схематическое модельное изображение двух сторон "нанорасчески".

Таким образом, ученые установили, что полярность поверхности ZnO существенно влияет на свойства формирующихся естественным путем наноструктур. Выращиваемые наноструктуры ввиду достаточно хорошей однородности могут найти применение в случаях, когда нужно формировать упорядоченно расположенные массивы консолей для наноустройств.

1. Z.L.Wang, X.Y.Kong, and J.M.Zuo. Phys.Rev.Lett., v.91, 185502 (2003).

Е.Онищенко