เส้นลวดนาโน

เส้นลวดนาโน (อังกฤษ: nanowire)เป็นโครงสร้างระดับนาโน มีเส้นผ่านศูนย์กลางในระดับนาโนเมตร ไม่เกิน 10 นาโนเมตร มีเส้นลวดนาโนหลายชนิด ทั้งเป็นโลหะ (นิกเกิล แพลตตินัม ทองคำ) สารกึ่งตัวนำ (เช่น ซิลิคอน inP GaN) และฉนวน เช่น (SiO2 TiO2) เส้นลวดนาโนในระดับโมเลกุลประกอบด้วยโมเลกุลซ้ำ ๆ กัน จะเป็นสารอินทรีย์หรืออนินทรีย์ก็ได้ ตัวอย่างของเส้นลวดนาโนรวมทั้งเส้นลวดนาโนระดับโมเลกุลที่เป็นสารอนินทรีย์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.9 nm และยาวได้หลายร้อยไมโครเมตร ตัวอย่างอื่น ๆ ที่สำคัญ เป็นพวกสารกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิคอน InP GaN สารที่มีอิเล็กตรอนคู่ เช่น (SiO2 TiO2) หรือโลหะ เช่น นิกเกิล แพลตตินัม มีการนำเส้นลวดนาโนไปใช้อย่างหลากหลายในทางอิเล็กทรอนิกส์ และนาโนอิเล็กทรอนิกส์ รอยต่อโลหะในอุปกรณ์ควอนตัมระดับนาโน หรือตัวนำของนาโนเซนเซอร์ในทางชีวโมเลกุล

การสังเคราะห์เส้นลวดนาโน

ภาพถ่ายจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งกราด ของการสังเคราะห์เส้นลวดนาโนจากอนุภาคของทอง

มีเป้าหมายพื้นฐานสองประการในการสังเคราะห์เส้นลวดนาโนคือจากด้านบนลงมาและจากด้านล่างขึ้นไป จากด้านบนลงมามีเป้าหมายเพื่อลดขนาดของวัตถุให้เล็กลง การสร้างจากข้างล่างขึ้นไปเป็นการสังเคราะห์เส้นลวดนาโนโดยการรวมอะตอม เทคนิคการสังเคราะห์ส่วนใหญ่นิยมใช้แบบจากด้านล่างขึ้นไป การผลิตเส้นลวดนาโนใช้เทคนิคพื้นฐานในห้องปฏิบัติการ เช่น การแขวนลอย การตกตะกอนด้วยไฟฟ้า การตกตะกอนด้วยไอ และการเจริญของการสังเคราะห์แบบไอ-ของเหลว (VLS) เทคโนโลยีการติดตามไอออนช่วยให้ดูการเรเติบโตของเส้นลวดนาโนได้ที่ระดับเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 nm

การแขวนลอย

เส้นลวดนาโนแขวนลอยเป็นเส้นลวดที่ผลิตในแชมเบอร์ที่มีความดันสูง สามารถผลิตโดยการกำหนดหลักทางเคมีสำหรับเส้นลวดขนาดใหญ่ การกระหน่ำยิงเส้นลวดขนาดใหญ่ด้วยไอออนพลังงานสูง การย่อที่ปลายของ STM บนผิวของโลหะใกล้กับจุดหลอมเหลว จากนั้นทำให้เกิดการเติบโตของการสังเคราะห์แบบไอ-ของเหลว

การเติบโตของการสังเคราะห์แบบไอ-ของเหลว

เทคนิคทั่วไปในการสร้างเส้นลวดนาโนคือการสังเคราะห์แบบไอ-ของเหลว-ของแข็ง กระบวนการนี้จะสร้างผลึกเส้นลวดนาโนของสารกึ่งตัวนำบางตัว ใช้เป็นแหล่งของเลเซอร์หรือสัญญาณเตือนภัย การสังเคราะห์แบบไอ-ของเหลวต้องการตัวเร่ง สำหรับเส้นลวดนาโน ตัวเร่งที่ดีที่สุดคือโลหะที่เป็นของเหลวเช่นทอง กลุ่มก้อนนาโนที่อาจทำให้เป็นฟิล์มบาง หรือดึงออกมาจากสารละลายคอลลอยด์และตกตะกอนลงบนสับสเตรท แหล่งของสารเข้าสู่กลุ่มก้อนนาโนและเริ่มอิ่มตัว ในการเข้าถึงการอิ่มตัวยิ่งยวด แหล่งของสารต้องถูกทำให้เป็นของแข็งและเติบโตขึ้นมาเป็นกลุ่มก้อนนาโน การปิดแหล่งของสารสามารถปรับความยาวสุดท้ายของเส้นลวดนาโน การใช้ปฏิกิริยาระยะไอขั้นตอนเดียวในการสังเคราะห์เส้นลวดนาโนอนินทรีย์ที่อุณหภูมิหนึ่ง

การสังเคราะห์แบบของเหลว

การสังเคราะห์แบบของเหลวเป็นเทคนิคที่ให้เส้นลวดนาโนเติบโตในของเหลว สามารถผลิตเส้นลวดนาโนได้หลายชนิด การสังเคราะห์ในของเหลวมีข้อดีที่ผลิตได้ในปริมาณมากเมื่อเทียบกับวิธีอื่น วิธีของไหล-ของเหลว-ของแข็ง สามารถใช้ผลิตเส้นลวดนาโนของสารกึ่งตัวนำ โดยใช้ผลึกระดับนาโนของโลหะ ในรูปเมล็ด สารตั้งต้นในรูปโลหอินทรีย์ของ Si และ Ge ถูกฉีดเข้าในถังปฏิกรณ์ที่มีตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น โทลูอีน การย่อยสลายแบบใช้อุณหภูมิทำให้สารตั้งต้นถูกย่อยสลาย ทำให้โลหะถูกปล่อยออกมาจับกับผลึกนาโน และเกิดการตกตะกอนได้เป็นเส้นลวดนาโน

การใช้เส้นลวดนาโน

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

เส้นลวดนาโนสามารถใช้แทนท่อนาโนคาร์บอนได้ เช่นใช้ในการสร้างอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ ในการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถทำงานได้ โดยต้องเพิ่มบางอย่างเข้าไปในเส้นลวดนาโนของสารกึ่งตัวนำ ซึ่งสามารถใช้เส้นลวดนาโนในการสร้างสารกึ่งตัวนำชนิด P และชนิด n ได้ แล้วสร้างรอยต่อระหว่าง n-p ซึ่งเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างง่าย ซึ่งทำได้สองทาง อย่างแรก คือการข้ามของชนิด p ด้วยเส้นลวดชนิด n แบบที่สองเกี่ยวกับลักษณะทางเคมีบนเส้นลวดโดยการเติมสารที่แตกต่างกันไปตามความยาวของเส้นลวด ทำให้สามารถสร้างรอยต่อ n-p บนเส้นลวดเส้นเดียวได้ หลังจากที่สร้างรอยต่อ n-p ขั้นตอนต่อมาคือการสร้างทางผ่านโดยการเชื่อมรอยต่อ n-p หลายอันเข้าด้วยกัน สามารถสร้างวงจรทั้งหมดด้วยทางผ่าน AND OR หรือ NOT จากการตัดผ่านด้วยเส้นลวดนาโนของสารกึ่งตัวนำ มีความเป็นไปได้ว่าการตัดผ่านด้วยเส้นลวดนาโนของสารกึ่งตัวนำมีความสำคัญในอนาคต เกี่ยวกับการคำนวณเชิงดิจิทัล ซึ่งมีข้อดีทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้นาโนมีเตอร์

การตรวจสอบโปรตีนและสารเคมีโดยใช้เส้นลวดนาโนกึ่งตัวนำ

การเปลี่ยนศักย์ที่พื้นผิวเพื่อใช้ในการตรวจและการวัด โดยใช้เส้นลวดนาโนของสารกึ่งตัวนำเป็นตัวส่งสัญญาณในการจับการสารเคมีที่อยู่บนผิวของเซนเซอร์ ซึ่งจะทำให้มีการลดหรือเพิ่มศักย์ไฟฟ้าในเส้นลวดนาโน ทำให้เส้นลวดนาโนเป็นช่องที่ปรับสัญญาณได้ที่เชื่อมต่อกับการตรวจสอบสภาพแวดล้อม ตอบสนองในระยะเวลาอันสั้น สารกึ่งตัวนำอนินทรีย์หลายชนิด เช่น ซิลิคอน แกลเลียม ใช้ในการเตรียมเส้นลวดนาโน เส้นลวดนาโนซิลิคอนเป็นตัวเลือกที่ดีในการใช้เป็นไบโอเซนเซอร์ มีตัวอย่างจำนวนมากที่ใช้เส้นลวดซิลิคอนในการตาวจวัดที่ไวมาก การตรวจวัดตัวชี้วัดของโปรตีนที่บ่งถึงการเป็นมะเร็ง ตรวจสอบอนุภาคไวรัส หรือสารระเหยในบรรยากาศ

แหล่งข้อมูลอื่น

• Nanohedron.com | Nano Image Gallery เก็บถาวร 2007-10-29 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน several images of nanowires are included in the galleries.
• Stanford's nanowire battery holds 10 times the charge of existing ones เก็บถาวร 2010-01-07 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• Original article on the Quantum Hall Effect: K. v. Klitzing, G. Dorda, and M. Pepper; Phys. Rev. Lett. 45, 494-497 (1980). เก็บถาวร 2004-09-18 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• Strongest theoretical nanowire produced at Australia's University of Melbourne.
• Penn Engineers Design Electronic Computer Memory in Nanoscale Form That Retrieves Data 1,000 Times Faster. เก็บถาวร 2007-10-12 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
• One atom thick, hundreds of nanometers long Pt-nanowires are one of the best examples of self-assembly. (University of Twente) เก็บถาวร 2008-10-13 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน