Atomiske vibrationer i nanomaterialer

Alle materialer er opbygget af atomer, som vibrerer. Disse vibrationer, eller 'fononer', er ansvarlige, for eksempel, for hvordan elektrisk ladning og varme transporteres i materialer. Vibrationer af metaller, halvledere, og isolatorer i er godt undersøgt; imidlertid, nu er materialer ved at blive nanostørret for at give bedre ydeevne til applikationer såsom skærme, sensorer, batterier, og katalytiske membraner. Hvad der sker med vibrationer, når et materiale er i nanostørrelse, har man indtil nu ikke forstået.

Bløde overflader vibrerer kraftigt

I en nylig udgivelse i Natur , ETH Professor Vanessa Wood og hendes kolleger forklarer, hvad der sker med atomare vibrationer, når materialer er nanostørrelser, og hvordan denne viden kan bruges til systematisk at konstruere nanomaterialer til forskellige anvendelser.

Papiret viser, at når materialer laves mindre end omkring 10 til 20 nanometer - dvs. 5, 000 gange tyndere end en menneskelig luft - vibrationerne i de yderste atomlag på overfladen af ​​nanopartiklerne er store og spiller en vigtig rolle i, hvordan dette materiale opfører sig.

"For nogle applikationer, som katalyse, termoelektrik, eller superledningsevne, disse store vibrationer kan være gode, men til andre applikationer som LED'er eller solceller, disse vibrationer er uønskede, " forklarer Wood.

Ja, papiret forklarer, hvorfor nanopartikelbaserede solceller indtil nu ikke har opfyldt deres fulde løfte. Forskerne viste ved hjælp af både eksperimenter og teori, at overfladevibrationer interagerer med elektroner for at reducere fotostrømmen i solceller.

"Nu hvor vi har bevist, at overfladevibrationer er vigtige, vi kan systematisk designe materialer til at undertrykke eller forstærke disse vibrationer, " siger Wood.

Forbedring af solceller

Woods forskergruppe har i lang tid arbejdet på en bestemt type nanomateriale - kolloide nanokrystaller - halvledere med en diameter på 2 til 10 nanometer. Disse materialer er interessante, fordi deres optiske og elektriske egenskaber afhænger af deres størrelse, som nemt kan ændres under deres syntese.

Disse materialer bruges nu kommercielt som udsender af rødt og grønt lys i LED-baserede tv'er og undersøges som mulige materialer til lave omkostninger, opløsningsbehandlede solceller. Forskere har bemærket, at placering af bestemte atomer rundt om overfladen af ​​nanokrystallen kan forbedre ydeevnen af ​​solceller. Årsagen til, at dette virkede, var ikke blevet forstået. Værket udgivet i Natur papir giver nu svaret:en hård skal af atomer kan undertrykke vibrationerne og deres interaktion med elektroner. Det betyder en højere fotostrøm og en højere effektivitet solcelle.

Stor videnskab til at studere nanoskalaen

Eksperimenter blev udført i professor Woods laboratorier ved ETH Zürich og ved den schweiziske spallationsneutronkilde på Paul Scherrer Institute. Ved at observere, hvordan neutroner spreder atomer i et materiale, det er muligt at kvantificere, hvordan atomer i et materiale vibrerer. For at forstå neutronmålingerne, simuleringer af de atomare vibrationer blev kørt på Swiss National Supercomputing Center (CSCS) i Lugano. Wood siger, "uden adgang til disse store faciliteter, dette arbejde ville ikke have været muligt. Vi er utroligt heldige her i Schweiz at have disse faciliteter i verdensklasse."