Små nanostrukturer lover stor indflydelse på højhastigheds optiske enheder med lav effekt

Med ny teknologi bliver mindre og mindre, kræver større energistøtte med flere muligheder, University of Cincinnati fysikforskning peger på nyt robust elektrisk potentiale ved hjælp af kvante nanotrådstrukturer.

De små mirakelfibre kan føre til fremskridt inden for følsom elektronisk teknologi, herunder varmedetekterende optiske infrarøde sensorer og biomedicinske tests, som alle kan passe ind i små elektriske enheder.

Støttet af et batteri af NSF-tilskud, UC-forskerholdet har arbejdet med et samarbejdende hold af fysikere, elektroniske materialeingeniører og ph.d.-studerende fra hele verden – alt sammen for at perfektionere væksten og udviklingen af ​​krystallinske nanotrådfibre, der danner rygraden i nanoteknologi.

Men for fuldt ud at anvende denne teknologi til moderne enheder, UC-forskere ser først nøje –– på et grundlæggende niveau –– på, hvordan energi fordeles og måles langs tyndtrådede nanotråde, der er så små, at tusindvis af dem teoretisk kunne passe ind i et menneskehår.

"Nu hvor vi ved, at teknologien kan udvikles, vi skal forstå præcis, hvordan de elektriske processer fungerer inde i nanotrådkernerne, siger Howard Jackson og Leigh Smith, professorer i fysik ved University of Cincinnati. "Efter endelig at have perfektioneret en standardiseret proces til dyrkning og udvikling af krystallinske nanotrådfibre med vores partnere på Australian National University i Canberra, vi har været i stand til at tage det et skridt videre.

"Ved at bruge en kombination af materialer som indium gallium arsenid, vi kan udvikle tynde nanotrådskerner med beskyttende ydre skaller."

Selv med utroligt små masser, det viser sig, at de unikke nanotråde har usædvanligt store spin-kredsløbsinteraktioner, som forskerne finder kan lede elektricitet rigtig godt og kan hjælpe med at forbedre varmefølende infrarøde detektorer til små militære enheder.

Jackson og Smith præsenterer disse bemærkelsesværdige resultater på American Physical Society Conference, i Baltimore, 16. marts, med titlen, "Udforsker dynamik og båndstruktur i Mid Infrared GaAsSb og GaAsSb/InP Nanowire Heterostructures."

LILLE, MEN MÆGTIG

Forskerne hævder, at hemmeligheden bag succesen med denne multi-samarbejdsindsats ligger i kombinationen af ​​materialer, der bruges til at skabe nanotrådene. Oprindeligt dyrket på Australian National University i Canberra, nanotrådene er spiret fra en kombination af perler af smeltet guld spredt ud over en bestemt overflade.

Da processen opvarmes inde i et kammer ved hjælp af indium gallium arsenid gasser, lange mikroskopisk tynde kernefibre spirer op fra mellem det kontrollerede overflademiljø.

Andre materialekombinationer introduceres derefter for at danne en ydre skal, der fungerer som en kappe omkring hver kerne, resulterer i kvante nanotråd halvledende heterostrukturer, der alle er ensartede i størrelse, form og adfærd.

Efter at fibrene er sendt over hele kloden til Cincinnati, Jackson, Smith og deres hold af ph.d.-studerende er derefter i stand til at bruge sofistikeret udstyr til at måle de elektriske og fotovoltaiske potentialer af hver fiber langs dens overflade.

I tidligere forskning, det samarbejdende team fandt ydre og iboende problemer, når fiberkernerne ikke havde de ydre kappe-lignende skaller.

"Hvis vi ikke har denne ydre kappe, nanotrådene har en meget kort energilevetid, siger Jackson. "Når vi omgiver kernen med denne skede, energilevetiden kan gå op med en ordre eller to størrelsesordener (effekt i watt)."

Og mens galliumarsenid alene er en meget almindelig halvleder, dens energigab er stor og inden for det synlige område, som absorberer lys. For at opnå succes med at detektere optisk varme eller infrarød, holdet siger, at brug af indium galliumarsenidfibre producerer mindre energigab, der kan bruges med succes i optiske detektorenheder.

"Målet for en af ​​vores bevillinger til forskningsudstyr er at arbejde med det lokale L3 Cincinnati Electronics Company, som laver infrarøde (small gap) detektorer til nattesynsbilleddannelse til militære applikationer, " siger Smith. "Fremtidige direkte anvendelser af denne type teknologi omfatter også medicinsk udstyr, der registrerer kropsvarme, samt fjernsensorer installeret i iphones, der kan bruges til miljøformål, der registrerer og måler varmetab i huse."

Forskerne siger, at denne nye nanotrådsteknologi er særlig unik, fordi den kan omdanne forskellige typer lys til et elektrisk signal, og i dette tilfælde betyder det at omdanne et infrarødt lys til et elektrisk signal, der kan måles.

Smith forklarer, at med geometrien af ​​nanotrådene kan du have en lang akse, der løber langs ledningen, hvilket giver dig masser af muligheder for absorption, når lyset falder, men så har du også denne meget lille diameter.

"Når kontakter er spredt langs begge sider, i det væsentlige behøver elektronerne i hullerne ikke at rejse meget langt, før de bliver opsamlet, " siger Smith. "Så i princippet kan det blive en mere effektiv detektor såvel som en mere effektiv solcelle."

NÅR STØRRELSE BETYDER

"Når du kommer til meget små dimensioner i nanotråde, der er små i diameter, men er et par mikrometer lange, disse egenskaber ændres derefter og kan vise et kvante (endeligt antal) af egenskaber og blive næsten endimensionelle, " siger Jackson. "Fysikken ændrer sig så, når du ændrer disse størrelser."

Jackson og Smith fandt ud af, at nanotrådens ultratynde ydre skaller fungerede bedst ved bredder på fire til otte nanometer, hvilket er 25, 00 og 12, 500 gange mindre hhv. end diameteren af ​​et menneskehår.

Når man ser på de overordnede fordele ved at arbejde med mikroskopiske nanostrukturer, ser forskerne et enormt tilbagebetalingspotentiale for dets evne til at pakke meget mere højenergieffektivitet ind i små enheder med begrænset plads. Det kommer tættere på en win-win for alle, de siger, især når denne forskning går ind i næste fase, bringer det tættere på at fungere inde i elektroniske og optiske sensorenheder.

"Vores grundlæggende undersøgelse er stadig et skridt væk fra en direkte optisk enhedsapplikation, " siger Jackson. "Men du kan tydeligt se over tid, at denne kollaborative forskning har haft indflydelse."