Nanokabel kan være en stor fordel for energilagring

Takket være lidt serendipity, forskere ved Rice University har skabt et lille koaksialkabel, der er omkring tusind gange mindre end et menneskehår og har højere kapacitans end tidligere rapporterede mikrokondensatorer.

Nanokabelen, som er beskrevet i denne uge i Naturkommunikation , blev produceret med teknikker, der var banebrydende inden for det begyndende grafenforskningsfelt og kunne bruges til at bygge næste generations energilagringssystemer. Det kan også finde anvendelse i forbindelse med ledningsføring af komponenter i lab-on-a-chip processorer, men dens opdagelse skyldes til dels tilfældigheder.

"Vi forventede ikke at skabe dette, da vi startede, " sagde studie medforfatter Jun Lou, lektor i maskinteknik og materialevidenskab ved Rice. "I begyndelsen vi var bare nysgerrige efter at se, hvad der ville ske elektrisk og mekanisk, hvis vi tog små kobbertråde kendt som interconnects og dækkede dem med et tyndt lag kulstof."

Det lille koaksialkabel er bemærkelsesværdigt ens i makeup til dem, der fører kabel-tv-signaler ind i millioner af hjem og kontorer. Kablets hjerte er en solid kobbertråd, der er omgivet af en tynd kappe af isolerende kobberoxid. Et tredje lag, en anden dirigent, omgiver det. I tilfælde af tv-kabler, det tredje lag er kobber igen, men i nanokabelen er det et tyndt lag kulstof, der kun er et par atomer tykt. Coax nanokabel er omkring 100 nanometer, eller 100 milliardtedele af en meter, bred.

Mens koaksialkablet er en grundpille i bredbåndstelekommunikation, det tre lag, metal-isolator-metal struktur kan også bruges til at bygge energilagringsenheder kaldet kondensatorer. I modsætning til batterier, som er afhængige af kemiske reaktioner til både at lagre og levere elektricitet, kondensatorer bruger elektriske felter. En kondensator indeholder to elektriske ledere, den ene negativ og den anden positiv, som er adskilt af et tyndt lag isolering. Adskillelse af de modsat ladede ledere skaber et elektrisk potentiale, og at potentialet stiger, efterhånden som de adskilte ladninger øges, og når afstanden mellem dem – optaget af det isolerende lag – mindskes. Forholdet mellem ladningstætheden og adskillelsesafstanden er kendt som kapacitans, og det er standardmålet for effektiviteten af ​​en kondensator.

Undersøgelsen rapporterer, at nanokabelens kapacitans er mindst 10 gange større end hvad der ville blive forudsagt med klassisk elektrostatik.

"Stigningen skyldes højst sandsynligt kvanteeffekter, der opstår på grund af kablets lille størrelse, " sagde undersøgelsens medforfatter Pulickel Ajayan, Rice's Benjamin M. og Mary Greenwood Anderson professor i maskinteknik og materialevidenskab.

Lous og Ajayans laboratorier er hver især specialiserede i at fremstille og studere materialer og nanoenheder i nanoskala, der udviser disse typer spændende kvanteeffekter, men Ajayan og Lou sagde, at der var et element af tilfældigheder ved opdagelsen af ​​nano.

Da projektet startede for 18 måneder siden, Ris postdoc-forsker Zheng Liu, den ledende medforfatter af undersøgelsen, beregnet til at lave rene kobbertråde dækket med kulstof. Teknikkerne til fremstilling af ledningerne, som kun er et par nanometer brede, er veletablerede, fordi ledningerne ofte bruges som "sammenkoblinger" i den nyeste elektronik. Liu brugte en teknik kendt som kemisk dampaflejring (CVD) til at dække ledningerne med en tynd belægning af kulstof. CVD-teknikken bruges også til at dyrke plader af enkeltatom-tykt kulstof kaldet grafen på film af kobber.

"Når folk laver grafen, de vil normalt studere grafen, og de er ikke særlig interesserede i kobber, " sagde Lou. "Det har bare brugt en platform til fremstilling af grafen."

Da Liu kørte nogle elektroniske tests på sine første par prøver, resultaterne var langt fra, hvad han forventede.

"Vi fandt til sidst ud af, at der dannedes et tyndt lag kobberoxid - som tjener som et dielektrisk lag - mellem kobberet og kulstoffet, " sagde Liu.

Ved at undersøge andre undersøgelser nærmere, holdet fandt ud af, at et par andre videnskabsmænd havde nævnt oxidation, der fandt sted på kobbersubstraterne under grafenproduktion.

"Det er ret veldokumenteret, men vi kunne ikke finde nogen, der havde lavet en detaljeret undersøgelse af de elektroniske egenskaber ved sådanne komplekse grænseflader, " sagde Ajayan.

Kapacitansen af ​​den nye nanokabel er op til 143 mikrofarad per kvadratcentimeter, bedre end de bedste tidligere resultater fra mikrokondensatorer.

Lou sagde, at det måske er muligt at bygge en storstilet energilagringsenhed ved at arrangere millioner af de små nanokabler side om side i store arrays.

"Kablet i nanoskala kan også bruges som en transmissionslinje for radiofrekvenssignaler på nanoskala, "Liu sagde. "Dette kunne være nyttigt som en grundlæggende byggesten i mikro- og nano-størrelse elektromekaniske systemer som lab-on-a-chip enheder."