Due pareti possono battere una per i nanotubi del pannello solare

28 April 2020
Due pareti possono battere una per i nanotubi del pannello solare

Gli ingegneri sapevano già che le dimensioni contano quando si usano nanotubi di carbonio a parete singola per le loro proprietà elettriche. Ma fino ad ora, nessuno aveva studiato come agiscono gli elettroni di fronte alla struttura da bambola russa dei tubi a parete multipla. I ricercatori della Rice University hanno calcolato l'effetto della curvatura dei nanotubi di carbonio a doppia parete semiconduttori sulla loro tensione flessografica. Questo influisce su quanto le coppie di nanotubi annidati possano essere adatte per applicazioni di nanoelettronica, specialmente per il fotovoltaico. Il team suggerisce che i suoi risultati possono applicarsi ad altri tipi di nanotubi, tra cui il nitruro di boro e

e disolfuro di molibdeno, da soli o come ibridi con i nanotubi di carbonio. La ricerca appare nella rivista Nano Letters e il team suggerisce che può essere un modo molto potente di indurre la tensione per alcune applicazioni, scrivono i ricercatori. I risultati possono anche applicarsi ad altri nanotubi. L'ufficio di ricerca dell'esercito e Quantlab Financial.


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Un nanotubo potrebbe essere grande per applicazioni di elettronica, ma i ricercatori riportano nuove prove che due potrebbe essere top.

 

Gli ingegneri sapevano già che le dimensioni contano quando si usano nanotubi di carbonio a parete singola per le loro proprietà elettriche. Ma fino ad ora, nessuno aveva studiato come agiscono gli elettroni di fronte alla struttura da bambola russa dei tubi a più pareti. Ora, i ricercatori hanno calcolato l'effetto della curvatura del carbonio semiconduttore a doppia paretenanotubisulla loro tensione flexoelettrica, una misura dello squilibrio elettrico tra le pareti interne ed esterne del nanotubo.

Questo influisce su quanto possano essere adatte le coppie di nanotubi annidati per applicazioni di nanoelettronica, specialmente il fotovoltaico.

In uno studio del 2002, il laboratorio della Rice University del teorico dei materiali Boris Yakobson ha rivelato come il trasferimento di carica, la differenza tra i poli positivi e negativi che permette alla tensione di esistere tra l'uno e l'altro, scala linearmente alla curvatura della parete del nanotubo. La larghezza del tubo detta la curvatura, e il laboratorio ha scoperto che più sottile è il nanotubo (e quindi più grande è la curvatura), maggiore è la tensione potenziale.grafeneLa densità di carica degli atomi su entrambi i lati del piano sono identici, dice Yakobson. Curvare il foglio di grafene in un tubo rompe questa simmetria, cambiando l'equilibrio. Questo crea un dipolo locale flexoelettrico nella direzione e proporzionale alla curvatura, secondo i ricercatori, che hanno notato che la flexoelettricità del carbonio 2D "è un effetto notevole ma anche abbastanza sottile".

Ma più di una parete complica notevolmente l'equilibrio, alterando la distribuzione degli elettroni. Nei nanotubi a doppia parete, la curvatura dei tubi interni ed esterni differisce, dando a ciascuno un band gap distinto. Inoltre, i modelli hanno mostrato che la tensione flexoelettrica della parete esterna sposta il band gap della parete interna, creando un allineamento sfalsato delle bande nel sistema annidato.

"La novità è che il tubo inserito, il 'bambino' (all'interno) matrioska ha tutti i suoi livelli di energia quantistica spostati a causa della tensione creata dal nanotubo esterno", dice Yakobson. L'interazione delle diverse curvature, dice, provoca una transizione di gap di banda a cavallo, che avviene ad un diametro critico stimato di circa 2,4 nanometri.

"Questo è un enorme vantaggio per le celle solari, essenzialmente un prerequisito per separare le cariche positive e negative per creare una corrente", dice Yakobson. "Quando la luce viene assorbita, un elettrone salta sempre dalla cima di una banda di valenza occupata (lasciando un buco 'più' dietro) allo stato più basso della banda di conduttanza vuota.

"Ma in una configurazione sfalsata capita che siano in tubi diversi, o strati", dice. "Il 'più' e il 'meno' si separano tra i tubi e possono scorrere via generando corrente in un circuito".

I calcoli del team mostrano anche che modificare le superfici dei nanotubi con atomi positivi o negativi potrebbe creare "tensioni sostanziali di entrambi i segni" fino a tre volt. "Anche se la funzionalizzazione potrebbe perturbare fortemente le proprietà elettroniche dinanotubiIl team suggerisce che i suoi risultati possono essere applicati ad altri tipi di nanotubi, tra cui il nitruro di boro e il bisolfuro di molibdeno, da soli o come ibridi con i nanotubi di carbonio.

La ricerca teorica appare nella rivistaLettere Nano. Altri coautori sono di Rice e Quantlab Financial.

L'Army Research Office e la Robert Welch Foundation hanno sostenuto la ricerca, che ha anche ricevuto il supporto computazionale del Dipartimento della Difesa High Performance Computing Modernization Program e il Dipartimento dell'Energia Office of Science.

 

Autore: Mike Williams-Rice

Credito immagine: Flickr

Questo articolo è stato precedentemente pubblicato su Futurity.