Förändringar på atomnivå i nanotrådar erbjuder stora möjligheter för förbättring av solceller och LED -ljus. NTNU-forskare har upptäckt att genom att ställa in en liten belastning på enstaka nanotrådar kan de bli mer effektiva i lysdioder och solceller.

NTNU -forskarna Dheeraj Dasa och Helge Weman har, i samarbete med IBM, upptäckte att galliumarsenid kan ställas in med en liten belastning för att fungera effektivt som en enda ljusemitterande diod eller en fotodetektor. Detta underlättas av den speciella sexkantiga kristallstrukturen, kallad wurtzite, som NTNU -forskarna har lyckats växa i MBE -labbet vid NTNU. Resultaten publicerades i Naturkommunikation Denna vecka.

De senaste åren har vi sett betydande genombrott inom nanotråd- och grafenforskning vid NTNU. År 2010, Professorerna Helge Weman, Bjørn-Ove Fimland och Ton van Helvoort och deras akademiska grupp gick offentligt med sina första banbrytande upptäckter inom området.

Forskarna, som är specialiserade på odling av nanotrådar, hade lyckats kontrollera en förändring i kristallstrukturen under nanotrådstillväxt. Genom att ändra kristallstrukturen i ett ämne, det vill säga att ändra atomernas positioner, ämnet kan få helt nya egenskaper. NTNU -forskarna upptäckte hur man ändrar kristallstrukturen i nanotrådar av galliumarsenid och andra halvledare.

Med det, grunden lades till effektivare solceller och lysdioder.

"Vår upptäckt var att vi kunde manipulera strukturen, atom för atom. Vi kunde manipulera atomerna och ändra kristallstrukturen under tillväxten av nanotrådarna. Detta öppnade för stora nya möjligheter. Vi var bland de första i världen som kunde skapa ett nytt galliumarsenidmaterial med en annan kristallstruktur, "säger Helge Weman vid Institutionen för elektronik och telekommunikation.

Denna process finns också i naturen. Till exempel, diamant och grafit - den senare används som "bly" i pennor - består av samma kolatomer. Men deras kristallstrukturer är olika.

Och nu, forskare kan också ändra strukturen för nanotrådar på atomnivå.

Grafen, supermaterialet

Nästa stora nyhet kom 2012. Då, forskarna hade lyckats få halvledar-nanotrådar att växa på supermaterialet grafen. Grafen är det tunnaste och starkaste material som någonsin gjorts. Denna upptäckt beskrevs som en revolution inom utveckling av solceller och LED -komponenter.

Över tid, grafen kan ersätta kisel som en komponent i elektroniska kretsar. I dag, kisel används för att producera både elektronik och solceller. Grafen leder elektricitet 100 gånger snabbare än kisel, och är bara en atom tjock, medan en kiselskiva normalt är miljontals gånger tjockare. Grafen kommer också sannolikt att vara billigare än kisel på bara några år.

Forskargruppen har fått mycket internationell uppmärksamhet för grafenmetoden. Helge Weman och hans grundare till NTNU Bjørn-Ove Fimland och Dong-Chul Kim har etablerat företaget CrayoNano AS, arbetar med en patenterad uppfinning som odlar halvledar -nanotrådar på grafen. Metoden kallas molecular beam epitaxy (MBE), och hybridmaterialet har goda elektriska och optiska egenskaper.

"Vi visar hur man använder grafen för att göra mycket mer effektiva och flexibla elektroniska produkter, initialt solceller och vita ljusdioder (LED). Framtiden rymmer många mer avancerade applikationer, säger Weman.

Mycket effektiva solceller

"Vårt mål är att skapa solceller som är mer effektiva än när de är gjorda med tunnfilmsteknik, "Betonar Weman.

Tunnfilmsteknik är en term från solcellstekniken. Denna teknik utvecklar supertunna solcellspaneler, där det aktiva lagret som omvandlar solljus till elektricitet har en tjocklek av högst tre mikrometer, dvs tre tusen millimeter. Den låga vikten möjliggör enkel transport, installation och underhåll av solceller, och de kan i praktiken rullas ut som takpapp på de flesta byggnader.

Nu, kombinationen av nanotrådar och grafen underlättar mycket bredare och mer flexibla solceller.

I tunna filmer som galliumarsenid, atomerna placeras kubiskt i en fast, fördefinierad struktur. När forskarna manipulerar atomstrukturen inuti nanotråden, de kan växa både kubiska och sexkantiga kristallstrukturer. De olika strukturerna har helt olika egenskaper, till exempel när det gäller optiska egenskaper.

Nya upptäckter, nya möjligheter

Under de senaste åren har forskargruppen, bland annat, studerade den unika sexkantiga kristallstrukturen i GaAs nanotrådar.

"I samarbete med IBM, vi har nu upptäckt att om vi sträcker ut dessa nanotrådar, de fungerar ganska bra som ljusemitterande dioder. Också, om vi trycker på nanotrådarna, de fungerar ganska bra som fotodetektorer. Detta underlättas av den sexkantiga kristallstrukturen, kallas wurtzite. Det gör det lättare för oss att ändra strukturen för att optimera den optiska effekten för olika applikationer.

"Det ger oss också en mycket bättre förståelse, tillåter oss att designa nanotrådarna med en inbyggd tryckspänning, till exempel för att göra dem mer effektiva i en solcell. Detta kan till exempel användas för att utveckla olika trycksensorer, eller att skörda elektrisk energi när nanotrådarna är böjda, "Förklarar Weman.

På grund av denna nya förmåga att manipulera nanotrådarnas kristallstruktur, det är möjligt att skapa mycket effektiva solceller som ger en högre elektrisk effekt. Också, det faktum att CrayoNano nu kan odla nanotrådar på superljus, stark och flexibel grafen, möjliggör produktion av mycket flexibla och lätta solceller.

CrayoNano-gruppen kommer nu också att börja odla galliumnitridnanotrådar för användning i vita ljusemitterande dioder.

"Ett av våra mål är att skapa galliumnitrid-nanotrådar i en nyinstallerad MBE-maskin på NTNU för att skapa ljusemitterande dioder med bättre optiska egenskaper-och odla dem på grafen för att göra dem flexibla, lätt och stark. "