Nu nieuwe technologie steeds kleiner wordt, meer energieondersteuning nodig hebben met meer opties, Natuurkundig onderzoek van de Universiteit van Cincinnati wijst op een nieuw robuust elektrisch potentieel met behulp van quantum nanodraadstructuren.

De kleine wondervezels kunnen leiden tot vooruitgang in gevoelige elektronische technologie, waaronder warmtedetectie, optische infraroodsensoren en biomedische tests, die allemaal in kleine elektrische apparaten passen.

Ondersteund door een reeks NSF-subsidies, het UC-onderzoeksteam heeft gewerkt met een samenwerkend team van natuurkundigen, elektronische materiaalingenieurs en doctoraatsstudenten van over de hele wereld - allemaal om de groei en ontwikkeling van kristallijne nanodraadvezels die de ruggengraat van nanotechnologie vormen, te perfectioneren.

Maar om deze technologie volledig toe te passen op moderne apparaten, UC-onderzoekers kijken eerst – op een fundamenteel niveau – hoe energie wordt verdeeld en gemeten langs dunne nanodraden die zo klein zijn dat duizenden ervan theoretisch in een mensenhaar zouden passen.

"Nu we weten dat de technologie kan worden ontwikkeld, we moeten precies begrijpen hoe de elektrische processen in de nanodraadkernen werken, " zeggen Howard Jackson en Leigh Smith, professoren in de natuurkunde aan de Universiteit van Cincinnati. "Na eindelijk een gestandaardiseerd proces te hebben geperfectioneerd voor het kweken en ontwikkelen van kristallijne nanodraadvezels met onze partners aan de Australian National University in Canberra, we zijn erin geslaagd om een ​​stap verder te gaan.

"Door een combinatie van materialen zoals indium galliumarsenide, we kunnen dunne nanodraadkernen ontwikkelen met beschermende buitenschalen."

Zelfs met ongelooflijk kleine massa's, het blijkt dat de unieke nanodraden ongewoon grote spin-baaninteracties hebben, waarvan de onderzoekers vinden dat ze elektriciteit heel goed kunnen geleiden en kunnen helpen bij het verbeteren van warmtegevoelige infrarooddetectoren voor kleine militaire apparaten.

Jackson en Smith presenteren deze opmerkelijke bevindingen op de American Physical Society Conference, in Baltimore, 16 maart getiteld, "Verkenning van dynamiek en bandstructuur in midden-infrarood GaAsSb en GaAsSb / InP nanodraad-heterostructuren."

KLEIN EN MACHTIG

De onderzoekers beweren dat het geheim van het succes van deze multi-collaboratieve inspanning ligt in de combinatie van materialen die worden gebruikt om de nanodraden te maken. Aanvankelijk gekweekt aan de Australian National University in Canberra, de nanodraden zijn ontsproten uit een combinatie van kralen van gesmolten goud verspreid over een bepaald oppervlak.

Omdat het proces in een kamer wordt verwarmd met behulp van indium-galliumarsenidegassen, lange microscopisch dunne kernvezels ontspruiten tussen de gecontroleerde oppervlakteomgeving.

Andere materiaalcombinaties worden vervolgens geïntroduceerd om een ​​buitenste schil te vormen die als een omhulsel rond elke kern werkt, resulterend in quantum nanodraad halfgeleidende heterostructuren allemaal uniform in grootte, vorm en gedrag.

Nadat de vezels over de hele wereld naar Cincinnati zijn verscheept, Jackson, Smith en hun team van doctoraatsstudenten kunnen dan geavanceerde apparatuur gebruiken om de elektrische en fotovoltaïsche potentialen van elke vezel langs het oppervlak te meten.

Bij eerder onderzoek is het samenwerkende team vond extrinsieke en intrinsieke problemen toen de vezelkernen niet de buitenste omhulselachtige omhulsels hadden.

"Als we deze buitenste schede niet hebben, de nanodraden hebben een zeer korte energielevensduur, zegt Jackson. "Als we de kern omringen met dit omhulsel, de energielevensduur kan met een orde of twee orden van grootte (vermogen in watt) stijgen."

En hoewel galliumarsenide alleen een veel voorkomende halfgeleider is, de energiekloof is groot en in het zichtbare bereik, die licht absorbeert. Om succes te behalen bij het detecteren van optische warmte of infrarood, het team zegt dat het gebruik van indium-galliumarsenidevezels kleinere energiehiaten produceren die met succes kunnen worden gebruikt in optische detectoren.

"Het doel van een van onze subsidies voor onderzoeksapparatuur is om samen te werken met de lokale L3 Cincinnati Electronics Company, die infrarooddetectoren (small gap) maakt voor nachtzichtbeeldvorming voor militaire toepassingen, ", zegt Smith. "Toekomstige directe toepassingen voor dit soort technologie omvatten ook medische apparaten die lichaamswarmte detecteren, evenals externe sensoren geïnstalleerd in iphones die kunnen worden gebruikt voor milieudoeleinden die warmteverlies in huizen detecteren en meten."

De onderzoekers zeggen dat deze nieuwe nanodraadtechnologie bijzonder uniek is omdat het verschillende soorten licht kan omzetten in een elektrisch signaal. en in dit geval betekent het een infrarood licht omzetten in een elektrisch signaal dat kan worden gemeten.

Smith legt uit dat je met de geometrie van de nanodraden een lange as over de lengte van de draad kunt hebben, waardoor je veel mogelijkheden hebt voor absorptie als het licht naar beneden komt, maar dan heb je ook nog deze hele kleine diameter.

"Als contacten aan weerszijden worden afgewisseld, in wezen hoeven de elektronen in de gaten niet ver te reizen voordat ze worden verzameld, "zegt Smith. "Dus in principe kan het een effectievere detector worden, evenals een effectievere zonnecel."

WANNEER DE GROOTTE BELANGRIJK IS

"Als je heel kleine afmetingen krijgt in nanodraden met een kleine diameter, maar zijn een paar micron lang, die eigenschappen veranderen dan en kunnen een kwantum (eindig aantal) eigenschappen vertonen en bijna eendimensionaal worden, " zegt Jackson. "De fysica verandert dan als je die maten verandert."

Jackson en Smith ontdekten dat de ultradunne buitenste schillen van de nanodraad het beste functioneerden bij een breedte van vier tot acht nanometer, dat is 25, 00 en 12, respectievelijk 500 keer kleiner, dan de diameter van een mensenhaar.

Wanneer we kijken naar de overkoepelende voordelen van het werken met microscopisch kleine nanostructuren, zien de onderzoekers een enorm terugverdienpotentieel voor het vermogen om veel meer hoge energie-efficiëntie te verpakken in kleine apparaten met eindige ruimte. Het komt steeds dichter bij een win-win voor iedereen, ze zeggen, vooral wanneer dit onderzoek de volgende fase ingaat, waardoor het dichter bij het functioneren in elektronische en optische sensorapparaten komt.

"Ons fundamentele onderzoek is nog steeds een stap verwijderd van een directe toepassing van optische apparaten, ", zegt Jackson. "Maar je kunt in de loop van de tijd duidelijk zien dat dit gezamenlijke onderzoek een impact heeft gehad."