Zwei Wände schlagen eine für Solarpanel-Nanoröhren

28. April 2020
Zwei Wände schlagen eine für Solarpanel-Nanoröhren

Ingenieure wussten bereits, dass die Größe eine Rolle spielt, wenn sie einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren für ihre elektrischen Eigenschaften verwenden. Aber bisher hatte noch niemand untersucht, wie sich Elektronen verhalten, wenn sie mit der russischen Puppenstruktur mehrwandiger Röhren konfrontiert werden. Forscher der Rice University berechneten die Auswirkung der Krümmung von halbleitenden doppelwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren auf ihre flexoelektrische Spannung. Dies wirkt sich darauf aus, wie geeignet verschachtelte Nanoröhrenpaare für nanoelektronische Anwendungen sind, insbesondere für die Photovoltaik. Das Team vermutet, dass seine Erkenntnisse auch für andere Arten von Nanoröhren gelten könnten, darunter Bornitrid und

und Molybdändisulfid, allein oder als Hybride mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die Forschungsergebnisse werden in der Zeitschrift Nano Letters veröffentlicht, und das Team geht davon aus, dass es sich dabei um eine sehr leistungsfähige Methode zur Induktion von Spannung für bestimmte Anwendungen handelt, schreiben die Forscher. Die Ergebnisse könnten auch auf andere Nanoröhren anwendbar sein. Das Army Research Office und Quantlab Financial.


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Ein Nanoröhrchen könnte für elektronische Anwendungen großartig sein, aber Forscher berichten von neuen Beweisen, dass zwei die Spitze sein könnten.

 

Ingenieure wussten bereits, dass es auf die Größe ankommt, wenn man einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren für ihre elektrischen Eigenschaften verwendet. Aber bis jetzt hatte niemand untersucht, wie sich Elektronen verhalten, wenn sie mit der russischen Puppen-ähnlichen Struktur von mehrwandigen Röhren konfrontiert werden. Jetzt haben Forscher den Effekt der Krümmung von halbleitendem doppelwandigem KohlenstoffNanoröhrchenauf ihre flexoelektrische Spannung, ein Maß für das elektrische Ungleichgewicht zwischen den inneren und äußeren Wänden der Nanoröhre.

Dies wirkt sich darauf aus, wie geeignet verschachtelte Nanoröhrenpaare für nanoelektronische Anwendungen sind , insbesondere für die Photovoltaik.

In einer Studie aus dem Jahr 2002 zeigte das Labor des Materialtheoretikers Boris Yakobson an der Rice University, wie der Ladungstransfer, also die Differenz zwischen positiven und negativen Polen, die eine Spannung zwischen den beiden Polen ermöglicht, linear mit der Krümmung der Nanoröhrenwand skaliert. Die Breite der Röhre diktiert die Krümmung, und das Labor fand heraus, dass die potenzielle Spannung umso größer ist, je dünner die Nanoröhre (und damit größer die Krümmung) ist. Wenn Kohlenstoffatome flachGraphensind die Ladungsdichten der Atome auf beiden Seiten der Ebene identisch, sagt Yakobson. Wenn man die Graphenplatte zu einem Rohr krümmt, wird diese Symmetrie gebrochen und das Gleichgewicht verändert. Das erzeugt einen lokalen flexoelektrischen Dipol in Richtung und proportional zur Krümmung, so die Forscher, die anmerken, dass die Flexoelektrizität von 2D-Kohlenstoff "ein bemerkenswerter, aber auch ziemlich subtiler Effekt ist."

Aber mehr als eine Wand verkompliziert das Gleichgewicht erheblich und verändert die Verteilung der Elektronen. In doppelwandigen Nanoröhren unterscheiden sich die Krümmung der inneren und der äußeren Röhre, wodurch jede eine eigene Bandlücke erhält. Zusätzlich zeigten die Modelle, dass die Biegespannung der Außenwand die Bandlücke der Innenwand verschiebt, wodurch eine gestaffelte Bandanordnung im verschachtelten System entsteht.

"Das Neue ist, dass die eingefügte Röhre, das 'Baby' (im Inneren) der Matrjoschka, alle ihre Quantenenergieniveaus aufgrund der von der äußeren Nanoröhre erzeugten Spannung verschoben hat", sagt Yakobson. Das Zusammenspiel der verschiedenen Krümmungen, so sagt er, verursacht einen Übergang von der gespreizten zur gestaffelten Bandlücke, der bei einem geschätzten kritischen Durchmesser von etwa 2,4 Nanometern stattfindet.

"Das ist ein großer Vorteil für Solarzellen, im Wesentlichen eine Voraussetzung für die Trennung von positiven und negativen Ladungen, um einen Strom zu erzeugen", sagt Yakobson. "Wenn Licht absorbiert wird, springt ein Elektron immer von der Spitze eines besetzten Valenzbandes (und lässt ein 'Plus'-Loch zurück) in den untersten Zustand des leeren Leitfähigkeitsbandes.

"Aber in einer gestaffelten Konfiguration befinden sie sich zufällig in verschiedenen Röhren oder Schichten", sagt er. "Das 'Plus' und das 'Minus' werden zwischen den Röhren getrennt und können wegfließen, indem sie in einem Stromkreis Strom erzeugen."

Die Berechnungen des Teams zeigen auch, dass die Modifizierung der Oberflächen der Nanoröhren mit entweder positiven oder negativen Atomen "erhebliche Spannungen beider Vorzeichen" bis zu drei Volt erzeugen könnte. "Obwohl die Funktionalisierung die elektronischen Eigenschaften vonNanoröhrenObwohl die Funktionalisierung die elektronischen Eigenschaften von Nanoröhren stark stören kann, könnte sie für bestimmte Anwendungen eine sehr leistungsfähige Methode zur Induktion von Spannungen sein", schreiben die Forscher. Das Team vermutet, dass seine Ergebnisse auch für andere Arten von Nanoröhren gelten könnten, einschließlich Bornitrid und Molybdändisulfid, entweder allein oder als Hybride mit Kohlenstoffnanoröhren.

Die theoretische Forschung erscheint in der ZeitschriftNano-Briefe. Weitere Koautoren sind von Rice und Quantlab Financial.

Das Army Research Office und die Robert Welch Foundation unterstützten die Forschung, die auch rechnerische Unterstützung durch das Department of Defense High Performance Computing Modernization Program und das Department of Energy Office of Science erhielt.

 

Autor: Mike Williams-Rice

Bildnachweis: Flickr

Dieser Artikel wurde zuvor auf Futurity veröffentlicht.