Galliumnitrid (GaN) och zinkoxid (ZnO) är bland de mest tekniskt relevanta halvledande materialen. Galliumnitrid är allmänt förekommande idag i optoelektroniska element som blå lasrar (därav blåstråleskivan) och lysdioder (LED); zinkoxid har också många användningsområden i optoelektronik och sensorer.
Under de senaste åren, fastän, nanostrukturer gjorda av dessa material har visat en uppsjö av potentiella funktioner, allt från singelnanotrådslasrar och lysdioder till mer komplexa enheter som resonatorer och, på senare tid, nanogeneratorer som omvandlar mekanisk energi från omgivningen (kroppsrörelser, till exempel) för att driva elektroniska enheter. Den senare ansökan bygger på det faktum att GaN och ZnO också är piezoelektriska material, vilket innebär att de producerar elektriska laddningar när de deformeras.
I en artikel publicerad online i tidskriften Nanobokstäver , Horacio Espinosa, James N. och Nancy J. Farley professorer i tillverkning och entreprenörskap vid McCormick School of Engineering and Applied Science vid Northwestern University, och Ravi Agrawal, en doktorand i Espinosas labb, rapporterade att piezoelektriciteten i GaN och ZnO nanotrådar faktiskt förbättras med så mycket som två storleksordningar när diametern på nanotrådarna minskar.
"Detta fynd är mycket spännande eftersom det tyder på att konstruera nanogeneratorer, sensorer och andra enheter från mindre nanotrådar kommer att avsevärt förbättra sin uteffekt och känslighet, sa Espinosa.
"Vi använde en beräkningsmetod som heter Density Functional Theory (DFT) för att modellera GaN och ZnO nanotrådar med diametrar från 0,6 nanometer till 2,4 nanometer, ", sa Agrawal. Beräkningsmetoden kan förutsäga den elektroniska distributionen av nanotrådarna när de deformeras och, därför, tillåter beräkning av deras piezoelektriska koefficienter.
Forskarnas resultat visar att den piezoelektriska koefficienten i 2,4 nanometer-diameter nanotrådar är cirka 20 gånger större och cirka 100 gånger större för ZnO och GaN nanotrådar, respektive, jämfört med materialens koefficient på makroskala. Detta bekräftar tidigare beräkningsfynd på ZnO nanostrukturer som visade en liknande ökning av piezoelektriska egenskaper. Dock, beräkningar för piezoelektricitet för GaN nanotrådar som funktion av storlek utfördes i detta arbete för första gången, och resultaten är klart mer lovande eftersom GaN visar en mer framträdande ökning.
"Våra beräkningar visar att ökningen av piezoelektrisk koefficient är ett resultat av omfördelningen av elektroner i nanotrådens yta, vilket leder till en ökning av den töjningsberoende polarisationen med avseende på bulkmaterialen, sa Espinosa.
Upptäckten av Espinosa och Agrawal kan ha viktiga konsekvenser för området för energiskörd såväl som för grundläggande vetenskap. För energiskörd, där piezoelektriska element används för att omvandla mekanisk till elektrisk energi för att driva elektroniska enheter, dessa resultat pekar på en fördel när det gäller att minska storleken på de piezoelektriska elementen ner till nanometerskalan. Energiinsamlingsanordningar byggda av nanotrådar med liten diameter bör i princip kunna producera mer elektrisk energi från samma mängd mekanisk energi än sina motsvarigheter i bulk.
När det gäller grundläggande vetenskap, dessa resultat kompletterar tidigare slutsatser om att materia på nanoskala har olika egenskaper. Det är tydligt nu att genom att skräddarsy storleken på nanostrukturer, deras mekaniska, elektriska och termiska egenskaper kan också ställas in.
"Vårt fokus ligger kvar på att förstå de grundläggande principerna som styr beteendet hos nanostrukturer som en funktion av deras storlek, " Espinosa och Agrawal säger. "En av de viktigaste frågorna som måste åtgärdas är att få experimentell bekräftelse av dessa resultat, och fastställa till vilken storlek de gigantiska piezoelektriska effekterna förblir betydande."
Espinosa och Agrawal hoppas att deras arbete kommer att väcka nytt intresse för de elektromekaniska egenskaperna hos nanostrukturer, både ur teoretisk och experimentell synvinkel, för att rensa vägen för design och optimering av framtida enheter i nanoskala.
