Energie-infrastructuurTwee muren zijn beter dan één voor nanobuisjes voor zonnepanelen
Samenvatting
Ingenieurs wisten al dat de grootte van belang is bij het gebruik van enkelwandige koolstofnanobuisjes voor hun elektrische eigenschappen. Maar tot nu toe had niemand bestudeerd hoe elektronen reageren wanneer ze geconfronteerd worden met de Russische pop-achtige structuur van meerwandige buisjes. Onderzoekers van Rice University berekenden het effect van de kromming van halfgeleidende dubbelwandige koolstofnanobuisjes op hun flexo-elektrische spanning. Dit beïnvloedt hoe geschikt geneste nanobuisparen kunnen zijn voor nano-elektronicatoepassingen, met name fotovoltaïsche toepassingen. Het team suggereert dat zijn bevindingen ook kunnen worden toegepast op andere soorten nanobuizen, waaronder boornitride en
en molybdeendisulfide, als zodanig of als hybriden met koolstofnanobuizen. Het onderzoek verschijnt in het tijdschrift Nano Letters en het team suggereert dat het een zeer krachtige manier kan zijn om spanning te induceren voor bepaalde toepassingen, schrijven de onderzoekers. De bevindingen kunnen ook van toepassing zijn op andere nanobuizen. Het onderzoeksbureau van het leger en Quantlab Financial.
Open volledig artikel
Twee muren zijn beter dan één voor nanobuisjes voor zonnepanelen
Eén nanobuisje kan geweldig zijn voor elektronicatoepassingen, maar onderzoekers melden nieuw bewijs dat twee het beste kunnen zijn.
Ingenieurs wisten al dat de grootte van belang is bij het gebruik van enkelwandige koolstofnanobuisjes voor hun elektrische eigenschappen. Maar tot nu toe had niemand bestudeerd hoe elektronen reageren wanneer ze worden geconfronteerd met de Russische pop-achtige structuur van meerwandige buisjes. Nu hebben onderzoekers het effect berekend van de kromming van halfgeleidende dubbelwandige koolstofnanobuisjesop hun flexo-elektrische spanning, een maat voor het elektrisch onevenwicht tussen de binnen- en buitenwand van de nanobuis.
Dit beïnvloedt hoe geschikt geneste nanobuisparen kunnen zijn voor nano-elektronicatoepassingen, met name fotovoltaïsche toepassingen.
In een onderzoek uit 2002 heeft het laboratorium van materiaaltheoreticus Boris Yakobson aan de Rice University laten zien hoe de ladingsoverdracht, het verschil tussen positieve en negatieve polen waardoor spanning kan bestaan tussen de ene en de andere, lineair afhangt van de kromming van de nanobuiswand. De breedte van de buis dicteert de kromming, en het lab ontdekte dat hoe dunner de nanobuis (en dus hoe groter de kromming), hoe groter de potentiële spanning. Wanneer koolstofatomen zich plat vormengrafeenzijn de ladingsdichtheden van de atomen aan weerszijden van het vlak identiek, aldus Yakobson. Door de grafeenlaag te krommen tot een buis wordt die symmetrie doorbroken, waardoor het evenwicht verandert. Dat creëert een flexo-elektrische lokale dipool in de richting van, en evenredig met, de kromming, aldus de onderzoekers, die opmerkten dat de flexo-elektriciteit van 2D koolstof "een opmerkelijk maar ook vrij subtiel effect is."
Maar meer dan één wand bemoeilijkt het evenwicht aanzienlijk, doordat de verdeling van de elektronen verandert. In dubbelwandige nanobuisjes verschilt de kromming van de binnenste en buitenste buisjes, waardoor ze elk een eigen bandkloof hebben. Bovendien toonden de modellen aan dat de flexo-elektrische spanning van de buitenwand de bandkloof van de binnenwand verschuift, waardoor een verspringende banduitlijning in het geneste systeem ontstaat.
"Het nieuwe is dat de ingebrachte buis, de 'baby' (binnenin) matroesjka, al zijn quantum-energieniveaus verschuift door de spanning die door de buitenste nanobuis wordt opgewekt," zegt Yakobson. Het samenspel van verschillende krommingen, zegt hij, veroorzaakt een straddling-naar-staggered band gap overgang die plaatsvindt bij een geschatte kritische diameter van ongeveer 2,4 nanometer.
"Dit is een enorm voordeel voor zonnecellen, in wezen een voorwaarde voor het scheiden van positieve en negatieve ladingen om een stroom te creëren," zegt Yakobson. "Wanneer licht wordt geabsorbeerd, springt een elektron altijd van de top van een bezette valentieband (waarbij een 'plus'-gat wordt achtergelaten) naar de laagste toestand van een lege geleidingsband.
"Maar in een verspringende configuratie zitten ze toevallig in verschillende buizen, of lagen," zegt hij. "De 'plus' en 'min' worden gescheiden tussen de buisjes en kunnen wegvloeien door stroom te genereren in een circuit."
De berekeningen van het team tonen ook aan dat het modificeren van de oppervlakken van de nanobuisjes met positieve of negatieve atomen "substantiële spanningen van beide tekens" kan opwekken tot drie volt. "Hoewel functionalisering de elektronische eigenschappen vannanobuizenkan het een zeer krachtige manier zijn om spanning op te wekken voor bepaalde toepassingen," schrijven de onderzoekers. Het team suggereert dat zijn bevindingen ook van toepassing kunnen zijn op andere soorten nanobuizen, waaronder boornitride en molybdeendisulfide, op zichzelf of als hybriden met koolstofnanobuizen.
Het theoretische onderzoek verschijnt in het tijdschriftNano Brieven. Andere coauteurs zijn afkomstig van Rice en Quantlab Financial.
Het Army Research Office en de Robert Welch Foundation steunden het onderzoek, dat ook computationele steun kreeg van het Department of Defense High Performance Computing Modernization Program en het Department of Energy Office of Science.
Auteur: Mike Williams-Rice
Image credit: Flickr
Dit artikel is eerder gepubliceerd op Futurity.
