Krøllede nanotråde fanger mere lys for at drive elektroniske kredsløb i nanoskala

I spørgsmålet om krøllet versus lige, nye beviser tyder på krøllede sejre - i hvert fald i nanotrådenes verden. Forskere fra Bilkent Universitet, Ankara, Kalkun, har vist, at snoning af lige nanotråde til fjedre kan øge mængden af ​​lys, som ledningerne absorberer med op til 23 procent. Det er vigtigt at absorbere mere lys, fordi en anvendelse af nanotråde er at omdanne lys til elektricitet, for eksempel til at forsyne små enheder.

Resultaterne af denne forskning er offentliggjort i tidsskriftet Anvendt optik , fra The Optical Society (OSA).

Nanotråde er en relativt ny teknologi, og deres fulde potentiale bliver stadig udforsket. Når de små ledninger er lavet af en halvleder som silicium, lys, der rammer ledningen, vil fjerne elektroner fra krystalgitteret, efterlader positivt ladede "huller". Både elektronerne og hullerne bevæger sig gennem materialet for at generere elektricitet. Jo mere lys ledningen absorberer; jo mere elektricitet producerer den. En enhed, der omdanner lys til elektricitet, kan fungere som enten en solcelle eller en fotosensor.

I 2007 Amerikanske forskere introducerede en enkelt nanotrådsfotosensor, der producerede nok elektricitet fra sollys (op til 200 pikowatt) til at drive elektroniske kredsløb i nanoskala. For nylig, et europæisk forskerhold byggede en nanotrådsolcelle med næsten 14 procent effektivitet ud fra forbindelserne af indium og fosfor. Effektiviteten er ikke nok til at slå de bedste krystallinske siliciumsolceller på markedet, men fordi nanotråde kan dække mere område med mindre materiale, nanotrådsolcellerne kunne i sidste ende blive billigere.

"Der er et stort potentiale inden for nanoskala fotosensorer, " sagde Mehmet Bayindir, Direktør, National Nanotechnology Research Center, Bilkent Universitet, Ankara, Kalkun. "Mere effektive output kan inducere fremkomsten af ​​en ny generation af fotosensorteknologi og eventuel kommercialisering af disse produkter."

Bayindir og hans kollega Tural Khudiyev, nu postdoc ved Massachusetts Institute of Technology, har fundet ud af, at justering af den typiske nanotråds geometri kan være en måde at realisere den ønskede effektivitetsforbedring på. Nanotråde er normalt lange, tynd og lige. Deres små dimensioner betyder, at de interagerer med lys anderledes end almindelige materialer. Visse bølgelængder af lys vil matche på den helt rigtige måde med dimensionerne af nanotråden, får lyset til at "resonere" eller hoppe rundt inde i ledningen.

Såkaldte Mie -resonanser er især fordelagtige for nanoskalaen, sagde Khudiyev. Resonanserne er opkaldt efter den tyske fysiker i begyndelsen af ​​det 20. århundrede Gustav Mie, der udviklede ligninger til at beskrive, hvorfor små metalpartikler får farvede glasvinduer til at lyse så stærkt.

Mie resonanser vil forekomme med lige nanotråde, men ved at sno nanotråden til en spiralform fandt Bayindir og Khudiyev ud af, at de kunne drage dobbelt fordel af fænomenerne.

"Når nanofjederperioden matcher Mie-resonanspunkterne, en "dobbelt resonans"-tilstand opstår, hvilket øger effektiviteten af ​​lyshøst, " sagde Khudiyev.

Derudover vridning af ledningen opad forkortede dens længde, sparer op til 50 procent af det oprindelige areal.

Den forbedrede lysindsamlingseffektivitet af nanofjedre åbner nye muligheder for at bygge enheder i nanoskala, der driver sig selv – for eksempel sensorer til at detektere miljøgifte eller til at overvåge en bros strukturelle integritet.

"Vores nanospringform fremkalder mere effekt både i det brede spektrum og på et ønsket enkeltpunkt (som let kan konstrueres), og disse gør det muligt at drive mere avancerede nanosystemer med et enkelt nanospringbaseret solcelleanlæg, " sagde Khudiyev.

De effektivitetsforbedringer, forskerne rapporterer, blev beregnet ved hjælp af et avanceret beregningsværktøj. "Eksperimentel observation af et nanofjederbaseret fotosensordesign og dets integration i et fiberindlejret system i stor skala ville være interessant som de næste trin, " sagde Bayindir.

Gruppen har allerede udviklet en nem måde at producere nanofjedre på ved først at lave lange nanotrådsarrays, opvarm dem derefter til en temperatur, hvor arrayerne kan snoes til nanofjederformen. Teknikken kan varieres for at kontrollere fjederens diameter og krøllens tæthed.