science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Zeer geleidende germanium nanodraden gemaakt door een eenvoudige, proces in één stap

Scanning-elektronenmicrofoto van germanium nanodraden elektrolytisch afgezet op een indiumtinoxide-elektrode uit een waterige oplossing. Krediet:Jay Switzer

Voor de eerste keer, germanium nanodraden zijn afgezet op indiumtinoxidesubstraat door een eenvoudige, eenstapsproces genaamd elektrodepositie.

De germanium-nanodraden die met deze methode worden geproduceerd, hebben superieure elektronische eigenschappen in vergelijking met silicium en kunnen worden gebruikt als anodemateriaal met hoge capaciteit voor lithium-ionbatterijen, maar de nanodraden waren voorheen te duur en moeilijk te produceren. Dit proces kan het kostenprobleem oplossen om deze batterijtechnologie verder te ontwikkelen.

Germanium is een halfgeleider die superieure elektronische eigenschappen heeft in vergelijking met silicium, en wordt beschouwd als een vervanging voor silicium in de halfgeleidertechnologie. Het is ook een aantrekkelijk anodemateriaal voor lithium-ionbatterijen omdat het een grote theoretische laad-ontlaadcapaciteit heeft in vergelijking met grafiet en een hoge lithiumion-diffusiviteit bij kamertemperatuur in vergelijking met silicium.

De grote volumeveranderingen die gepaard gaan met ladings-ontladingsprocessen vereisen dat anoden worden gemaakt van nanostructuren met een groot oppervlak van germanium. Een gebrek aan goedkope en eenvoudige methoden om germanium-nanostructuren te produceren, heeft tot nu toe hun gebruik in batterij-elektrodetoepassingen beperkt. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Missouri University of Science and Technology hebben voor het eerst aangetoond dat germanium nanodraden kunnen worden afgezet door een eenvoudige, eenstapsproces genaamd elektrodepositie dat een goedkope route zou kunnen bieden om deze anoden te fabriceren. De nanodraden werden gekweekt op een indiumtinoxidesubstraat.

Een elektrochemische reductie produceert minuscule indium-nanodeeltjes op het oppervlak van indiumtinoxide, die fungeren als plaatsen voor de nucleatie en kristallisatie van germaniumnanodraden. De diameter van de nanodraad kan worden geregeld door de temperatuur van de oplossing:bij kamertemperatuur gekweekte draden hebben een gemiddelde diameter van 35 nanometer, terwijl die gekweekt bij 95°C een gemiddelde diameter van 100 nanometer hebben. De germanium-nanodraden die met deze methode worden geproduceerd, zijn zeer geleidend, omdat ze een kleine hoeveelheid indiumonzuiverheid bevatten (~ 0,2 atoomprocent), waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen met lithium-ionbatterijen.