01.04.2020 - Rice University

Doppelwandige Nanoröhren haben elektro-optische Vorteile

Ein Nanoröhrchen könnte für elektronische Anwendungen großartig sein, aber es gibt neue Beweise dafür, dass zwei davon die Spitze sein könnten.

Die Ingenieure der Rice University wussten bereits, dass die Größe bei einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren für ihre elektrischen Eigenschaften eine Rolle spielt. Aber bis jetzt hatte niemand untersucht, wie sich Elektronen verhalten, wenn sie mit der russischen puppenartigen Struktur mehrwandiger Röhren konfrontiert werden.

Der Materialtheoretiker Boris Yakobson aus dem Rice-Labor hat nun die Auswirkungen der Krümmung von halbleitenden doppelwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren auf ihre flexoelektrische Spannung berechnet, ein Maß für das elektrische Ungleichgewicht zwischen der Innen- und Außenwand der Nanoröhre.

Dies wirkt sich darauf aus, wie geeignet verschachtelte Nanoröhrenpaare für nanoelektronische Anwendungen, insbesondere in der Photovoltaik, sein können.

Die theoretische Forschung von Yakobsons Gruppe an der Brown School of Engineering erscheint in der Zeitschrift Nano Letters der American Chemical Society.

In einer Studie aus dem Jahr 2002 hatten Yakobson und seine Kollegen von Rice aufgezeigt, wie der Ladungstransfer, die Differenz zwischen positiven und negativen Polen, die eine Spannung zwischen dem einen und dem anderen ermöglicht, linear zur Krümmung der Nanoröhrenwand skaliert. Die Breite der Röhre bestimmt die Krümmung, und das Labor stellte fest, dass die potenzielle Spannung umso größer ist, je dünner die Nanoröhre (und damit die Krümmung) ist.

Wenn Kohlenstoffatome flaches Graphen bilden, ist die Ladungsdichte der Atome auf beiden Seiten der Ebene identisch, sagte Yakobson. Wenn man die Graphenplatte zu einer Röhre krümmt, wird diese Symmetrie gebrochen und das Gleichgewicht verändert.

Dadurch entsteht ein flexoelektrischer lokaler Dipol in Richtung der Krümmung und proportional zu dieser, so die Forscher, die feststellten, dass die Flexoelektrizität von 2D-Kohlenstoff "ein bemerkenswerter, aber auch ziemlich subtiler Effekt ist".

Aber mehr als eine Wand erschwert das Gleichgewicht erheblich und verändert die Verteilung der Elektronen. In doppelwandigen Nanoröhren unterscheiden sich die Krümmungen der inneren und äußeren Röhren, wodurch jede eine andere Bandlücke erhält. Zusätzlich zeigten die Modelle, dass die flexoelektrische Spannung der Außenwand die Bandlücke der Innenwand verschiebt, wodurch eine gestaffelte Bandausrichtung im verschachtelten System entsteht.

"Die Neuheit besteht darin, dass die eingeführte Röhre, die 'Baby'-Matrjoschka (im Inneren), durch die von der äußeren Nanoröhre erzeugte Spannung alle ihre Quantenenergieniveaus verschoben hat", sagte Yakobson. Das Zusammenspiel verschiedener Krümmungen, so Yakobson, verursacht einen grätschenden zu gestaffelten Bandlückenübergang, der bei einem geschätzten kritischen Durchmesser von etwa 2,4 Nanometern stattfindet.

"Dies ist ein großer Vorteil für Solarzellen, im Wesentlichen eine Voraussetzung für die Trennung von positiven und negativen Ladungen zur Erzeugung eines Stroms", sagte Yakobson. "Wenn Licht absorbiert wird, springt ein Elektron immer vom oberen Ende eines besetzten Valenzbandes (wobei ein 'Plus'-Loch zurückbleibt) in den niedrigsten Zustand des leeren Leitfähigkeitsbandes.

"Aber in einer gestaffelten Konfiguration befinden sie sich zufällig in verschiedenen Röhren oder Schichten", sagte er. "Das 'Plus' und 'Minus' werden zwischen den Röhren getrennt und können durch die Erzeugung von Strom in einem Schaltkreis wegfließen.

Die Berechnungen des Teams zeigten auch, dass die Modifizierung der Oberflächen der Nanoröhren mit entweder positiven oder negativen Atomen "beträchtliche Spannungen beider Vorzeichen" von bis zu drei Volt erzeugen könnte. "Obwohl die Funktionalisierung die elektronischen Eigenschaften der Nanoröhren stark stören könnte, könnte sie für bestimmte Anwendungen eine sehr starke Art der Spannungsinduktion sein", schrieben die Forscher.

Das Team schlug vor, seine Ergebnisse auf andere Arten von Nanoröhren, einschließlich Bornitrid und Molybdändisulfid, allein oder als Hybride mit Kohlenstoff-Nanoröhren anzuwenden.

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