Deux murs peuvent en battre un pour les nanotubes des panneaux solaires

28 April 2020
Deux murs peuvent en battre un pour les nanotubes des panneaux solaires

Les ingénieurs savaient déjà que la taille compte lorsqu'on utilise des nanotubes de carbone à paroi unique pour leurs propriétés électriques. Mais jusqu'à présent, personne n'avait étudié comment les électrons agissent lorsqu'ils sont confrontés à la structure en poupées russes des tubes à parois multiples. Les chercheurs de l'université Rice ont calculé l'effet de la courbure des nanotubes de carbone semi-conducteurs à double paroi sur leur tension flexoélectrique. Cela influe sur l'adéquation des paires de nanotubes imbriqués pour les applications nanoélectroniques, notamment photovoltaïques. L'équipe suggère que ses conclusions peuvent s'appliquer à d'autres types de nanotubes, notamment le nitrure de bore

et le disulfure de molybdène, seuls ou en tant qu'hybrides avec les nanotubes de carbone. Cette recherche est publiée dans la revue Nano Letters et l'équipe suggère qu'il pourrait s'agir d'un moyen très puissant d'induire une tension pour certaines applications, écrivent les chercheurs. Les résultats peuvent également s'appliquer à d'autres nanotubes. L'Army Research Office et Quantlab Financial.


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Un nanotube pourrait être parfait pour les applications électroniques, mais les chercheurs rapportent de nouvelles preuves que deux pourraient être les meilleurs.

 

Les ingénieurs savaient déjà que la taille est importante lorsqu'on utilise des nanotubes de carbone à paroi simple pour leurs propriétés électriques. Mais jusqu'à présent, personne n'avait étudié le comportement des électrons face à la structure en poupée russe des tubes à parois multiples. Les chercheurs ont maintenant calculé l'effet de la courbure du carbone semi-conducteur à double paroinanotubessur leur tension flexoélectrique, une mesure du déséquilibre électrique entre les parois internes et externes du nanotube.

Ceci affecte la façon dont les paires de nanotubes emboîtés peuvent être adaptés aux applications nanoélectroniques, en particulier le photovoltaïque.

Dans une étude réalisée en 2002, le théoricien des matériaux Boris Yakobson, du laboratoire de l'université Rice, a révélé comment le transfert de charge, la différence entre les pôles positifs et négatifs qui permet à la tension d'exister entre l'un et l'autre, s'adapte linéairement à la courbure de la paroi du nanotube. La largeur du tube dicte la courbure, et le laboratoire a découvert que plus le nanotube est mince (et donc plus sa courbure est grande), plus la tension potentielle est élevée. Lorsque les atomes de carbone se forment à platgraphenela densité de charge des atomes de chaque côté du plan est identique, explique M. Yakobson. Le fait de courber la feuille de graphène en un tube rompt cette symétrie, ce qui modifie l'équilibre. Cela crée un dipôle local flexoélectrique dans la direction de la courbure et proportionnel à celle-ci, selon les chercheurs, qui ont noté que la flexoélectricité du carbone 2D "est un effet remarquable mais aussi assez subtil".

Mais plus d'une paroi complique grandement l'équilibre, modifiant la distribution des électrons. Dans les nanotubes à double paroi, la courbure des tubes internes et externes diffère, ce qui donne à chacun une bande interdite distincte. En outre, les modèles ont montré que la tension flexoélectrique de la paroi extérieure déplace la bande interdite de la paroi intérieure, créant un alignement de bande décalé dans le système imbriqué.

La nouveauté est que le tube inséré, le "bébé" (intérieur) matryoshka, voit tous ses niveaux d'énergie quantique décalés en raison de la tension créée par le nanotube extérieur", explique M. Yakobson. L'interaction des différentes courbures, dit-il, provoque une transition de bande interdite à décalage qui se produit à un diamètre critique estimé à environ 2,4 nanomètres.

"C'est un avantage énorme pour les cellules solaires, essentiellement une condition préalable à la séparation des charges positives et négatives pour créer un courant", dit M. Yakobson. Lorsque la lumière est absorbée, un électron saute toujours du haut d'une bande de valence occupée (laissant un trou "plus" derrière lui) à l'état le plus bas de la bande de conductance vide.

"Mais dans une configuration décalée, ils se trouvent dans des tubes ou des couches différentes", dit-il. Le "plus" et le "moins" sont séparés entre les tubes et peuvent s'écouler en générant du courant dans un circuit.

Les calculs de l'équipe montrent également que la modification des surfaces des nanotubes avec des atomes positifs ou négatifs pourrait créer "des tensions substantielles de l'un ou l'autre signe" jusqu'à trois volts. "Bien que la fonctionnalisation puisse fortement perturber les propriétés électroniques des nanotubesnanotubesL'équipe suggère que ses conclusions pourraient s'appliquer à d'autres types de nanotubes, notamment le nitrure de bore et le disulfure de molybdène, seuls ou en tant qu'hybrides avec des nanotubes de carbone.

La recherche théorique est publiée dans la revueNano Lettres. Les autres coauteurs sont Rice et Quantlab Financial.

Le Bureau de recherche de l'armée et la Fondation Robert Welch ont soutenu la recherche, qui a également bénéficié du soutien informatique du Programme de modernisation du calcul haute performance du ministère de la défense et du Bureau des sciences du ministère de l'énergie.

 

Auteur : Mike Williams-Rice

Crédit image : Flickr

Cet article a déjà été publié sur Futurity.