Eén nanobuisje zou geweldig kunnen zijn voor elektronicatoepassingen, maar er is nieuw bewijs dat twee tops kunnen zijn.

Ingenieurs van Rice University wisten al dat grootte van belang is bij het gebruik van enkelwandige koolstofnanobuizen vanwege hun elektrische eigenschappen. Maar tot nu toe, niemand had onderzocht hoe elektronen zich gedragen wanneer ze worden geconfronteerd met de Russische popachtige structuur van meerwandige buizen.

Het Rice-lab van materiaaltheoreticus Boris Yakobson heeft nu de impact berekend van de kromming van halfgeleidende dubbelwandige koolstofnanobuizen op hun flexo-elektrische spanning. een maat voor de elektrische onbalans tussen de binnen- en buitenwanden van de nanobuis.

Dit beïnvloedt hoe geschikt geneste nanobuisparen kunnen zijn voor nano-elektronicatoepassingen, vooral fotovoltaïsche.

Het theoretische onderzoek van Yakobson's Brown School of Engineering-groep verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters .

In een onderzoek uit 2002, Yakobson en zijn Rice-collega's hadden onthuld hoe kostenoverdracht, het verschil tussen positieve en negatieve polen waardoor er spanning tussen de een en de ander kan bestaan, schaalt lineair met de kromming van de nanobuiswand. De breedte van de buis bepaalt de kromming, en het lab ontdekte dat hoe dunner de nanobuis (en dus groter de kromming), hoe groter de potentiaalspanning.

Wanneer koolstofatomen plat grafeen vormen, de ladingsdichtheid van de atomen aan weerszijden van het vlak zijn identiek, zei Yakobson. Door de grafeenplaat in een buis te buigen, wordt die symmetrie verbroken, het veranderen van de balans.

Dat creëert een flexo-elektrische lokale dipool in de richting van, en evenredig aan, de kromming, volgens de onderzoekers die opmerkte dat de flexo-elektriciteit van 2-D koolstof "een opmerkelijk maar ook vrij subtiel effect is."

Maar meer dan één muur bemoeilijkt de balans enorm, de verdeling van elektronen veranderen. In dubbelwandige nanobuisjes, de kromming van de binnenste en buitenste buizen verschillen, geven elk een duidelijke band gap. Aanvullend, de modellen toonden aan dat de flexo-elektrische spanning van de buitenmuur de bandafstand van de binnenmuur verschuift, het creëren van een verspringende banduitlijning in het geneste systeem.

"De nieuwigheid is dat de ingebrachte buis, de 'baby' (binnenste) matryoshka heeft al zijn kwantumenergieniveaus verschoven vanwege de spanning die wordt gecreëerd door de externe nanobuis, " zei Yakobson. Het samenspel van verschillende krommingen, hij zei, veroorzaakt een grensoverschrijdende naar verspringende overgang van de bandafstand die plaatsvindt bij een geschatte kritische diameter van ongeveer 2,4 nanometer.

"Dit is een enorm voordeel voor zonnecellen, in wezen een voorwaarde voor het scheiden van positieve en negatieve ladingen om een ​​stroom te creëren, " zei Yakobson. "Als licht wordt geabsorbeerd, een elektron springt altijd van de bovenkant van een bezette valentieband (waardoor een 'plus'-gat achterblijft) naar de laagste toestand van de lege geleidingsband.

"Maar in een verspringende configuratie bevinden ze zich toevallig in verschillende buizen, of lagen, " zei hij. "De 'plus' en 'min' worden gescheiden tussen de buizen en kunnen wegvloeien door stroom op te wekken in een circuit."

De berekeningen van het team toonden ook aan dat het aanpassen van de oppervlakken van de nanobuisjes met positieve of negatieve atomen "aanzienlijke spanningen van elk teken" tot drie volt zou kunnen creëren. "Hoewel functionalisering de elektronische eigenschappen van nanobuisjes sterk zou kunnen verstoren, het kan een zeer krachtige manier zijn om spanning op te wekken voor bepaalde toepassingen, ’ schreven de onderzoekers.

Het team suggereerde dat zijn bevindingen van toepassing kunnen zijn op andere soorten nanobuisjes, inclusief boornitride en molybdeendisulfide, op zichzelf of als hybriden met koolstofnanobuisjes.