|
Нанопровода – микроскопические волокна, которые могут «выращиваться» в лаборатории – сегодня это злободневная тема исследований с широким потенциалом применения, включая светоизлучающие диоды (СИД) и датчики. В настоящее время команда исследователей Массачусетского технологического института (MИT) нашла способ точно контролировать ширину и состав этих крошечных нитей в процессе их роста, делая возможным выращивание сложных структур, которые оптимально подходят для определенного применения.
Нанопровода привлекают к себе такой большой интерес, так как структуры с такими крошечными размерами – как правило, всего несколько десятков нанометров или миллиардных долей метра в диаметре – могут иметь совершенно другие свойства по сравнению с такими же материалами в их более крупной форме. Частично это является следствием того, что при таких миниатюрных размерах эффекты квантовых ограничений, основанные на поведении электронов и фононов материала, начинают играть важную роль в поведении материала, что может влиять на то, как он проводит электричество и тепло или взаимодействует со светом.
Градечак рассказывает, что, поскольку нанопровода обладают очень большой площадью поверхности по отношению к их объему, они особенно хорошо подходят для использования в качестве датчиков. Ее команда смогла контролировать и изменять как размер, так и состав отдельных проводов в процессе их роста. Такие нанопровода выращиваются путем использования «затравочных» частиц, металлических наночастиц, которые определяют размер и строение нанопровода. Регулируя количество газов, используемых при выращивании нанопроводов, Градечак и ее команда смогли контролировать размер и состав затравочных частиц и, тем самым, нанопровода в процессе их роста. Градечак сообщает, что они были в состоянии управлять обоими параметрами одновременно. В то время как исследователи проводили свои эксперименты по выращиванию нанопроводов с использованием нитрида индия и нитрида галлия индия, они заявляют, что подобная методика может применяться для многих других материалов.
Нанопровода, изготовленные с применением новых методик, разработанных Градечак и ее командой, имеют различную ширину, профили и строение на своей протяженности.
Эти нанопровода слишком крошечные, чтобы видеть их невооруженным глазом, но исследовательская команда могла наблюдать их, используя электронную микроскопию, корректируя процесс роста, основываясь на своих знаниях о формах роста кристаллов. Используя процесс, называемый электронной томографией, они смогли реконструировать трехмерную модель отдельных наномасштабных проводов. В похожем исследовании, недавно опубликованном в журнале «Nanoscale», команда ученых также использовала уникальный метод электронной микроскопии, называемый катадолюминесценцией, для наблюдения длины световых волн, исходящих от различных частей отдельных нанопроводов.
По словам Градечак, четко структурированные нанопровода могли бы содействовать появлению нового поколения полупроводниковых устройств. Такое управление геометрией и строением нанопроводов могло бы обеспечить устройствам лучшую функциональность, чем у обычных тонкопленочных приборов, изготовленных из тех же материалов.
Одним из возможных применений материалов, разработанных Градечак и ее командой, являются светодиодные лампочки, отличающиеся намного большей долговечностью. При этом они более энергосберегающие, чем другие альтернативные источники освещения. Градечак сообщает, что основными цветами света, испускаемыми СИД, являются цвета синего и ультрафиолетового диапазона; нанопровода из оксида цинка и нитрида галлия, созданные группой МИТ, потенциально могут излучать эти цвета очень эффективно и при низких затратах.
Светодиодные лампочки белого цвета сегодня имеются, но они относительно дороги. По мнению Градечак, высокая стоимость является барьером для их повседневного использования. Большим достоинством нового подхода является то, что он мог бы позволить использовать гораздо более дешевые материалы подложки – то, что составляет большую часть стоимости таких изделий, и где сегодня, обычно, применяются твердосплавные подложки из сапфира или кремния. Также, по ее словам, нанопроводные устройства имеют потенциал к более высокой эффективности.
Такие нанопровода также могут найти применение в коллекторах солнечной энергии в более бюджетных солнечных панелях. Наличие возможности управлять формой и составом проводов в процессе их роста могло бы дать возможность производить коллекторы с очень высоким КПД: отдельные провода образуют лишенные дефектов отдельные кристаллы, снижая потерю энергии из-за дефектов в структуре традиционных фотоэлементов. Контролируя точные размеры нанопроводов, можно контролировать длину световых волн, на которую они «настроены», используя их либо для выработки света, либо в СИД, либо для сбора света в солнечной панели.
Сложные структуры, созданные из нанопроводов различного диаметра, также могут применяться в новых термоэлектрических устройствах для улавливания тепла отработавших газов и превращения его в полезную электрическую энергию. Изменяя состав и диаметр проводов по их длине, можно производить провода, хорошо проводящие электричество, но плохо нагревающиеся – сочетание, которого трудно добиться с большинством материалов, но являющееся ключевым для эффективной работы термоэлектрических систем выработки электроэнергии.
По словам исследовательской команды, нанопровода могут производиться с использованием инструментов, уже применяемых в производстве полупроводников, таким образом, устройства должны быть относительно легкими для их подготовки к массовому производству.
По утверждению Зонг Лин Ванга (Zhong Lin Wang), члена правления, профессора в области материаловедения и инжиниринга технологического института Джорджии, возможность контроля за структурой и составом нанопроводов является жизненно важной для управления их наномасштабными свойствами. Точная регулировка поведения роста данных материалов открывает возможность для производства новых оптоэлектронных устройств, которые, весьма вероятно, будут иметь превосходные метрологические характеристики.
Автокосметика PRO TEC
|
