Nanotråde udviser kæmpe piezoelektricitet

Galliumnitrid (GaN) og zinkoxid (ZnO) er blandt de mest teknologisk relevante halvledende materialer. Galliumnitrid er allestedsnærværende i dag i optoelektroniske elementer såsom blå lasere (deraf blue-ray disc) og lysemitterende dioder (LED'er); zinkoxid finder også mange anvendelser i optoelektronik og sensorer.

I de seneste år, selvom, nanostrukturer lavet af disse materialer har vist et væld af potentielle funktionaliteter, lige fra enkelt-nanowire lasere og LED'er til mere komplekse enheder såsom resonatorer og, for nylig, nanogeneratorer, der omdanner mekanisk energi fra omgivelserne (kropsbevægelser, for eksempel) til at forsyne elektroniske enheder. Sidstnævnte ansøgning bygger på det faktum, at GaN og ZnO også er piezoelektriske materialer, hvilket betyder, at de producerer elektriske ladninger, når de deformeres.

I et papir offentliggjort online i tidsskriftet Nano bogstaver , Horacio Espinosa, James N. og Nancy J. Farley professor i fremstilling og entreprenørskab ved McCormick School of Engineering and Applied Science ved Northwestern University, og Ravi Agrawal, en kandidatstuderende i Espinosas laboratorium, rapporterede, at piezoelektricitet i GaN og ZnO nanotråde faktisk forbedres med så meget som to størrelsesordener, når diameteren af ​​nanotrådene falder.

"Dette fund er meget spændende, fordi det tyder på, at konstruering af nanogeneratorer, sensorer og andre enheder fra mindre nanotråde vil i høj grad forbedre deres output og følsomhed, " sagde Espinosa.

"Vi brugte en beregningsmetode kaldet Density Functional Theory (DFT) til at modellere GaN og ZnO nanotråde med diametre fra 0,6 nanometer til 2,4 nanometer, " sagde Agrawal. Den beregningsmæssige metode er i stand til at forudsige den elektroniske fordeling af nanotrådene, når de deformeres og, derfor, gør det muligt at beregne deres piezoelektriske koefficienter.

Forskernes resultater viser, at den piezoelektriske koefficient i 2,4 nanometer-diameter nanotråde er omkring 20 gange større og omkring 100 gange større for ZnO og GaN nanotråde, henholdsvis, sammenlignet med materialernes koefficient på makroskalaen. Dette bekræfter tidligere beregningsresultater på ZnO nanostrukturer, der viste en lignende stigning i piezoelektriske egenskaber. Imidlertid, beregninger for piezoelektricitet af GaN nanotråde som funktion af størrelse blev udført i dette arbejde for første gang, og resultaterne er klart mere lovende, da GaN viser en mere fremtrædende stigning.

"Vores beregninger afslører, at stigningen i piezoelektrisk koefficient er et resultat af omfordelingen af ​​elektroner i nanotrådens overflade, hvilket fører til en stigning i den belastningsafhængige polarisering med hensyn til bulkmaterialerne, " sagde Espinosa.

Resultaterne af Espinosa og Agrawal kan have vigtige konsekvenser for området energihøst såvel som for grundlæggende videnskab. Til energihøst, hvor piezoelektriske elementer bruges til at omdanne mekanisk til elektrisk energi for at drive elektroniske enheder, disse resultater peger på en fordel ved at reducere størrelsen af ​​de piezoelektriske elementer ned til nanometerskalaen. Energihøstanordninger bygget af nanotråde med lille diameter bør i princippet være i stand til at producere mere elektrisk energi fra den samme mængde mekanisk energi end deres modparter i bulk.

Med hensyn til grundlæggende videnskab, disse resultater supplerer tidligere konklusioner om, at stof på nanoskala har forskellige egenskaber. Det er klart nu, at ved at skræddersy størrelsen af ​​nanostrukturer, deres mekaniske, elektriske og termiske egenskaber kan også indstilles.

"Vores fokus er fortsat på at forstå de grundlæggende principper, der styrer adfærden af ​​nanostrukturer som funktion af deres størrelse, " Espinosa og Agrawal siger. "Et af de vigtigste spørgsmål, der skal løses, er at opnå eksperimentel bekræftelse af disse resultater, og fastslå, i hvilken størrelse de gigantiske piezoelektriske effekter forbliver betydelige."

Espinosa og Agrawal håber, at deres arbejde vil anspore ny interesse for de elektromekaniske egenskaber ved nanostrukturer, både fra teoretiske og eksperimentelle synspunkter, for at rydde vejen for design og optimering af fremtidige enheder i nanoskala.