Elektronmikroskopbillede af wurtzite GaA/AIGaAs kerneskal-nanotråde. Kredit:Dr. Dheeraj Dasa og prof. Helge Weman, NTNU
Ændringer på atomniveau i nanotråde giver enorme muligheder for forbedring af solceller og LED -lys. NTNU-forskere har opdaget, at de ved at indstille en lille belastning på enkelte nanotråde kan blive mere effektive i lysdioder og solceller.
NTNU -forskere Dheeraj Dasa og Helge Weman har, i samarbejde med IBM, opdagede, at galliumarsenid kan indstilles med en lille belastning for effektivt at fungere som en enkelt lysemitterende diode eller en fotodetektor. Dette lettes af den særlige sekskantede krystalstruktur, kaldet wurtzite, som det er lykkedes NTNU -forskerne at vokse i MBE -laboratoriet på NTNU. Resultaterne blev offentliggjort i Naturkommunikation denne uge.
De sidste par år har der været betydelige gennembrud inden for nanotråd- og grafenforskning på NTNU. I 2010, Professorer Helge Weman, Bjørn-Ove Fimland og Ton van Helvoort og deres akademiske gruppe blev offentliggjort med deres første banebrydende opdagelser inden for området.
Forskerne, der specialiserer sig i dyrkning af nanotråde, var lykkedes at kontrollere en ændring i krystalstrukturen under nanotrådvækst. Ved at ændre krystalstrukturen i et stof, dvs. ændring af atomernes positioner, stoffet kan få helt nye egenskaber. NTNU -forskerne opdagede, hvordan man ændrer krystalstrukturen i nanotråde fremstillet af galliumarsenid og andre halvledere.
Med det, grundlaget blev lagt til mere effektive solceller og lysdioder.
"Vores opdagelse var, at vi kunne manipulere strukturen, atom for atom. Vi var i stand til at manipulere atomerne og ændre krystalstrukturen under væksten af nanotråde. Dette åbnede for store nye muligheder. Vi var blandt de første i verden, der var i stand til at skabe et nyt galliumarsenidmateriale med en anden krystalstruktur, ”siger Helge Weman på Institut for Elektronik og Telekommunikation.
Denne proces findes også i naturen. For eksempel, diamant og grafit - sidstnævnte bruges som "bly" i blyanter - er sammensat af de samme kulstofatomer. Men deres krystalstrukturer er forskellige.
Og nu, forskere kan også ændre strukturen af nanotråde på atomniveau.
Graphene, supermaterialet
Den næste store nyhed kom i 2012. På det tidspunkt, forskerne havde formået at få halvleder-nanotråde til at vokse på supermaterialet grafen. Graphene er det tyndeste og stærkeste materiale, der nogensinde er lavet. Denne opdagelse blev beskrevet som en revolution inden for udvikling af solceller og LED -komponenter.
Over tid, grafen kan erstatte silicium som en komponent i elektroniske kredsløb. I dag, silicium bruges til fremstilling af både elektronik og solceller. Grafen leder elektricitet 100 gange hurtigere end silicium, og er kun et atom tykt, mens en siliciumskive normalt er millioner af gange tykkere. Grafen vil også sandsynligvis være billigere end silicium på få år.
Forskergruppen har fået meget international opmærksomhed for grafenmetoden. Helge Weman og hans medstiftere af NTNU Bjørn-Ove Fimland og Dong-Chul Kim har etableret virksomheden CrayoNano AS, arbejder med en patenteret opfindelse, der dyrker halvleder -nanotråde på grafen. Metoden kaldes molecular beam epitaxy (MBE), og hybridmaterialet har gode elektriske og optiske egenskaber.
"Vi viser, hvordan man bruger grafen til at lave meget mere effektive og fleksible elektroniske produkter, i første omgang solceller og hvide lysdioder (LED). Fremtiden rummer mange mere avancerede applikationer, "siger Weman.
Meget effektive solceller
"Vores mål er at skabe solceller, der er mere effektive, end når de er lavet med tyndfilmsteknologi, "Understreger Weman.
Tyndfilmteknologi er et udtryk fra solcelleteknologien. Denne teknologi udvikler supertynde solcellepaneler, hvor det aktive lag, der konverterer sollys til elektricitet, ikke har en tykkelse på mere end tre mikrometer, altså tre tusinder af en millimeter. Den lave vægt tillader let transport, installation og vedligeholdelse af solceller, og de kan i praksis rulles ud som tagpap på de fleste bygninger.
Nu, kombinationen af nanotråde og grafen letter meget bredere og mere fleksible solceller.
I tynde film som galliumarsenid, atomer placeres kubisk i en fast, foruddefineret struktur. Når forskerne manipulerer atomstrukturen inde i nanotråden, de kan vokse både kubiske og sekskantede krystalstrukturer. De forskellige strukturer har helt forskellige egenskaber, for eksempel når det kommer til optiske egenskaber.
NTNU -forskere Dr. Dheeraj Dasa og prof. Helge Weman har gjort nye opdagelser i ændringen af krystalstrukturen i nanotråde. Her poserer de med en kæmpe model af wurtzitkrystalstrukturen. Kredit:Kai T. Dragland/NTNU
Nye opdagelser, nye muligheder
Forskergruppen har de sidste par år blandt andet, studerede den unikke sekskantede krystalstruktur i GaAs nanotråde.
"I samarbejde med IBM, vi har nu opdaget, at hvis vi strækker disse nanotråde, de fungerer ganske godt som lysdioder. Også, hvis vi trykker på nanotråde, de fungerer ganske godt som fotodetektorer. Dette lettes af den sekskantede krystalstruktur, kaldet wurtzite. Det gør det lettere for os at ændre strukturen for at optimere den optiske effekt til forskellige applikationer.
"Det giver os også en meget bedre forståelse, giver os mulighed for at designe nanotråde med en indbygget trykbelastning, for eksempel at gøre dem mere effektive i en solcelle. Dette kan f.eks. Bruges til at udvikle forskellige tryksensorer, eller for at høste elektrisk energi, når nanotrådene er bøjede, "Forklarer Weman.
På grund af denne nye evne til at manipulere nanotrådenes krystalstruktur, det er muligt at skabe yderst effektive solceller, der producerer en højere elektrisk effekt. Også, det faktum, at CrayoNano nu kan dyrke nanotråde på superlys, stærk og fleksibel grafen, muliggør produktion af meget fleksible og lette solceller.
CrayoNano-gruppen vil nu også begynde at dyrke galliumnitrid-nanotråde til brug i hvide lysemitterende dioder.
"Et af vores mål er at oprette galliumnitrid-nanotråde i en nyinstalleret MBE-maskine på NTNU for at skabe lysemitterende dioder med bedre optiske egenskaber-og dyrke dem på grafen for at gøre dem fleksible, let og stærk. "