Galliumnitride (GaN) en zinkoxide (ZnO) behoren tot de technologisch meest relevante halfgeleidende materialen. Galliumnitride is tegenwoordig alomtegenwoordig in opto-elektronische elementen zoals blauwe lasers (vandaar de blue-ray disc) en light-emitting diodes (LED's); zinkoxide vindt ook veel toepassingen in opto-elektronica en sensoren.

In de laatste paar jaren, Hoewel, nanostructuren gemaakt van deze materialen hebben een overvloed aan potentiële functionaliteiten laten zien, variërend van single-nanodraadlasers en LED's tot complexere apparaten zoals resonatoren en, recenter, nanogeneratoren die mechanische energie uit de omgeving omzetten (bewegingen van het lichaam, bijvoorbeeld) om elektronische apparaten van stroom te voorzien. De laatste toepassing is gebaseerd op het feit dat GaN en ZnO ook piëzo-elektrische materialen zijn, wat betekent dat ze elektrische ladingen produceren als ze worden vervormd.

In een paper online gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters , Horacio Espinosa, de James N. en Nancy J. Farley Professor in Manufacturing and Entrepreneurship aan de McCormick School of Engineering and Applied Science aan de Northwestern University, en Ravi Agrawal, een afgestudeerde student in het lab van Espinosa, rapporteerde dat piëzo-elektriciteit in GaN- en ZnO-nanodraden in feite met maar liefst twee ordes van grootte wordt verbeterd naarmate de diameter van de nanodraden afneemt.

"Deze bevinding is erg opwindend omdat het suggereert dat het bouwen van nanogeneratoren, sensoren en andere apparaten van kleinere nanodraden zullen hun output en gevoeligheid aanzienlijk verbeteren, ' zei Espinosa.

"We gebruikten een rekenmethode genaamd Density Functional Theory (DFT) om GaN- en ZnO-nanodraden te modelleren met een diameter van 0,6 nanometer tot 2,4 nanometer, " Agrawal zei. De computationele methode is in staat om de elektronische distributie van de nanodraden te voorspellen als ze worden vervormd en, daarom, maakt het mogelijk om hun piëzo-elektrische coëfficiënten te berekenen.

De resultaten van de onderzoekers laten zien dat de piëzo-elektrische coëfficiënt in nanodraden met een diameter van 2,4 nanometer ongeveer 20 keer groter is en ongeveer 100 keer groter voor ZnO- en GaN-nanodraden, respectievelijk, vergeleken met de coëfficiënt van de materialen op macroschaal. Dit bevestigt eerdere computationele bevindingen over ZnO-nanostructuren die een vergelijkbare toename van piëzo-elektrische eigenschappen lieten zien. Echter, berekeningen voor piëzo-elektriciteit van GaN-nanodraden als functie van de grootte werden in dit werk voor het eerst uitgevoerd, en de resultaten zijn duidelijk veelbelovender aangezien GaN een meer prominente stijging laat zien.

"Onze berekeningen laten zien dat de toename van de piëzo-elektrische coëfficiënt het resultaat is van de herverdeling van elektronen in het nanodraadoppervlak, wat leidt tot een toename van de spanningsafhankelijke polarisatie met betrekking tot de bulkmaterialen, ' zei Espinosa.

De bevindingen van Espinosa en Agrawal kunnen belangrijke implicaties hebben voor zowel het gebied van energiewinning als voor de fundamentele wetenschap. Voor het oogsten van energie, waar piëzo-elektrische elementen worden gebruikt om mechanische energie om te zetten in elektrische energie om elektronische apparaten van stroom te voorzien, deze resultaten wijzen op een voordeel bij het verkleinen van de piëzo-elektrische elementen tot op nanometerschaal. Apparaten voor het oogsten van energie die zijn gemaakt van nanodraden met een kleine diameter, zouden in principe in staat moeten zijn om meer elektrische energie te produceren uit dezelfde hoeveelheid mechanische energie dan hun tegenhangers in bulk.

Op het gebied van fundamentele wetenschap, deze resultaten verdere eerdere conclusies dat er op nanoschaal van belang is, heeft verschillende eigenschappen. Het is nu duidelijk dat door de grootte van nanostructuren aan te passen, hun mechanische, elektrische en thermische eigenschappen kunnen ook worden afgestemd.

"Onze focus blijft op het begrijpen van de fundamentele principes die het gedrag van nanostructuren bepalen als een functie van hun grootte, Espinosa en Agrawal zeggen. "Een van de belangrijkste problemen die moeten worden aangepakt, is het verkrijgen van experimentele bevestiging van deze resultaten, en vaststellen tot welke omvang de gigantische piëzo-elektrische effecten significant blijven."

Espinosa en Agrawal hopen dat hun werk nieuwe interesse in de elektromechanische eigenschappen van nanostructuren zal aanwakkeren, zowel vanuit theoretisch als experimenteel standpunt, om de weg vrij te maken voor het ontwerp en de optimalisatie van toekomstige apparaten op nanoschaal.