Kaksiseinäisillä nanoputkilla on elektro-optisia etuja

Rice Universityn teoreetikot ovat laskeneet fleksoelektrisia vaikutuksia kaksiseinäisissä hiilinanoputkissa. Grafeenilevyn (yläkuva) molemmin puolin olevien atomien sähköpotentiaalit (P) ovat identtisiä, mutta ei silloin, kun levy on kaartunut nanoputkeksi. Kaksiseinäisillä nanoputkilla (alempi kuva) on ainutlaatuisia vaikutuksia, koska kaistaerot sisä- ja ulkoputkissa ovat porrastettuja.

Yksi nanoputki voi olla hieno rakenne elektroniikan sovelluksiin mutta on olemassa uusia todisteita siitä, että kaksi sisäkkäin voisi olla parempi.

Ennen Rice University –insinöörejä kukaan ei ollut tutkinut kuinka elektronit toimivat kohdatessaan moniseinämäisten putkien sisäkkäisen rakenteen.

Rice labin materiaaliteoreetikko Boris Yakobson on nyt laskenut puolijohtavan kaksiseinäisien hiilinanoputkien kaarevuuden vaikutusta niiden fleksoelektriseen jännitteeseen eli mittaan nanoputken sisä- ja ulkoseinien väliseen sähköiseen epätasapainoon. Se edelleen vaikuttaa siihen, kuinka sopivia sisäkkäiset nanoputkiparit voivat olla nanoelektroniikan sovelluksiin, erityisesti aurinkosähköön.

Kun hiiliatomit muodostavat tasaisen grafeenin, atomien varaustiheys tason molemmilla puolilla on identtinen. Grafeenilevyn kaarevuus putkeksi rikkoo tämän symmetrian ja muuttaa tasapainoa. Tutkijoiden mukaan tämä muodostaa fleksoelektrisen paikallisen dipolin ja on verrannollinen kaarevuuteen.

Mutta sitäkin enemmän tasapainoon ja elektronien jakautumiseen vaikuttaa kaksiseinämäisyys. Niissä sisä- ja ulkoputkien kaarevuus eroavat toisistaan, jolloin kullakin on erillinen kaistaero. Lisäksi mallit osoittivat ulkoseinän fleksoelektrisen jännitteen siirtävän sisäseinämän kaistaeron muodostamaan porrastetun kaistaeron sisäkkäiseen järjestelmään.

"Uutta on se, että sisäpuolisen putken kaikki kvanttienergiatasot ovat siirtyneet ulkoisen nanoputken aiheuttaman jännitteen takia", Yakobson toteaa. Hänen mukaansa eri kaarevuuksien vuorovaikutus aiheuttaa hajallaan olevasta porrastettuun kaistaeron siirtymisen.

"Tämä on valtava etu aurinkokennoille, olennainen edellytys positiivisten ja negatiivisten varausten erottamiselle virran generoimiseksi, Kun valo absorboituu, elektroni hyppää aina ylimmältä miehitetyltä valenssikaistalta johtavuuskaistan alimpaan tyhjään tilaan, selventää Yakobson.

"Mutta porrastetussa kokoonpanossa ne tapahtuvat eri putkissa tai kerroksissa", hän sanoi. "Plussa ja miinus erottuvat putkien välillä ja voivat virrata pois generoimalla virtaa ulkoisessa piirissä."

Ryhmän laskelmat osoittivat myös, että nanoputkien pintojen modifiointi joko positiivisilla tai negatiivisilla atomeilla voisi luoda ”merkittäviä kummankin merkin jännitteitä” jopa kolmeen volttiin asti. "Vaikka funktionalisointi voisi häiritä voimakkaasti nanoputkien elektronisia ominaisuuksia, se voi olla erittäin tehokas tapa indusoida jännite tietyissä sovelluksissa", tutkijat kirjoittavat.

Ryhmä ehdotti, että havaintonsa voivat koskea myös muun tyyppisiä nanoputkia, mukaan lukien boorinitridi ja molybdeenidisulfidi, yksinään tai hybrideinä hiilinanoputkien kanssa.

Aiheesta aiemmin:

Noin vuosi sitten Tokion yliopiston tutkijaryhmä havaitsi, että tietyt aallonpituudet ja valon intensiteetit indusoivat virran volframidisulfidiin perustuvissa nanoputkissa?

Valosähköisiä nanoputkia