Nanodraden van halfgeleidergalliumnitride zijn veelbelovend in de volgende generatie nano- en opto-elektronische systemen. Onlangs, onderzoekers van de McCormick School of Engineering hebben nieuwe piëzo-elektrische eigenschappen van de nanodraden gevonden die ze nuttiger zouden kunnen maken in zelfaangedreven nanodevices.

Slechts 100 nanometer in diameter, nanodraden worden vaak als eendimensionaal beschouwd. Maar onderzoekers van de Northwestern University hebben onlangs gemeld dat individuele galliumnitride-nanodraden een sterke piëzo-elektriciteit vertonen - een soort ladingsgeneratie veroorzaakt door mechanische stress - in drie dimensies.

De bevindingen, onder leiding van Horacio Espinosa, James N. en Nancy J. Farley Professor in productie en ondernemerschap aan de McCormick School of Engineering and Applied Science, werden online gepubliceerd op 22 december in Nano-letters .

Galliumnitride (GaN) is een van de technologisch meest relevante halfgeleidende materialen en is tegenwoordig alomtegenwoordig in opto-elektronische elementen zoals blauwe lasers (vandaar de blue-ray disc) en light-emitting diodes (LED's). Recenter, nanogeneratoren op basis van GaN-nanodraden werden aangetoond in staat om mechanische energie (zoals biomechanische beweging) om te zetten in elektrische energie.

"Hoewel nanodraden eendimensionale nanostructuren zijn, sommige eigenschappen – zoals piëzo-elektriciteit, de lineaire vorm van elektromechanische koppeling – zijn driedimensionaal van aard, Espinosa zei. "We dachten dat deze nanodraden piëzo-elektriciteit in 3D zouden moeten vertonen, en gericht op het verkrijgen van alle piëzo-elektrische constanten voor individuele nanodraden, vergelijkbaar met het bulkmateriaal."

De bevindingen onthulden dat individuele GaN-nanodraden zo klein als 60 nanometer piëzo-elektrisch gedrag vertonen in 3D tot zes keer van hun bulk-tegenhanger. Omdat de gegenereerde lading lineair schaalt met piëzo-elektrische constanten, deze bevinding impliceert dat nanodraden tot zes keer efficiënter zijn in het omzetten van mechanische naar elektrische energie.

Om de metingen te verkrijgen, onderzoekers pasten een elektrisch veld in verschillende richtingen toe in enkele nanodraad en maten kleine verplaatsingen, vaak in het bereik van de picometer (10-12 m). De groep bedacht een methode op basis van scanning-sondemicroscopie, waarbij gebruik werd gemaakt van de zeer nauwkeurige verplaatsingsmeting van een atomaire krachtmicroscoop.

"De metingen waren erg uitdagend, omdat we verplaatsingen nauwkeurig moesten meten die 100 keer kleiner waren dan de grootte van het waterstofatoom, " zei Majid Minary, een postdoctoraal onderzoeker en de hoofdauteur van de studie.

Deze resultaten zijn opwindend, vooral gezien de recente demonstratie van nanogeneratoren op basis van GaN-nanodraden, voor het aandrijven van zelfaangedreven nanodevices.