I frågan om lockigt kontra rakt, nya bevis tyder på lockiga vinster – åtminstone i nanotrådarnas värld. Forskare från Bilkent University, Ankara, Kalkon, har visat att vridning av raka nanotrådar till fjädrar kan öka mängden ljus som ledningarna absorberar med upp till 23 procent. Att absorbera mer ljus är viktigt eftersom en tillämpning av nanotrådar är att förvandla ljus till elektricitet, till exempel för att driva små enheter.
Resultaten av denna forskning publiceras i tidskriften Tillämpad optik , från The Optical Society (OSA).
Nanotrådar är en relativt ny teknik och deras fulla potential utforskas fortfarande. När de små ledningarna är gjorda av en halvledare som kisel, ljus som träffar tråden kommer att lossa elektroner från kristallgittret, lämnar positivt laddade "hål" efter sig. Både elektronerna och hålen rör sig genom materialet för att generera elektricitet. Ju mer ljus tråden absorberar; ju mer el genererar den. En enhet som omvandlar ljus till elektricitet kan fungera som antingen en solcell eller en fotosensor.
Under 2007, Amerikanska forskare introducerade en enda nanotrådsfotosensor som producerade tillräckligt med elektricitet från solljus (upp till 200 pikowatt) för att driva elektroniska kretsar i nanoskala. På senare tid, ett europeiskt forskarlag byggde en nanotrådsolcell med nästan 14 procents effektivitet från föreningarna indium och fosfor. Effektiviteten räcker inte för att slå de bästa kristallina kiselsolcellerna på marknaden, men eftersom nanotrådar kan täcka mer område med mindre material, nanotrådsolcellerna kan i slutändan bli billigare.
"Det finns en enorm potential inom området för fotosensorer i nanoskala, sa Mehmet Bayindir, Direktör, National Nanotechnology Research Center, Bilkent University, Ankara, Kalkon. "Effektivare utdata kan inducera uppkomsten av en ny generation av fotosensorteknologi och eventuell kommersialisering av dessa produkter."
Bayindir och hans kollega Tural Khudiyev, nu postdoktor vid Massachusetts Institute of Technology, har funnit att justering av geometrin hos den typiska nanotråden kan vara ett sätt att realisera den önskade effektivitetsförbättringen. Nanotrådar är vanligtvis långa, tunn och rak. Deras små dimensioner betyder att de interagerar med ljus annorlunda än vanliga material. Vissa våglängder av ljus kommer att matcha på precis rätt sätt med dimensionerna på nanotråden, får ljuset att "resonera" eller studsa runt inuti tråden.
Så kallade Mie-resonanser är särskilt fördelaktiga för nanoskalan, sa Khudiyev. Resonanserna är uppkallade efter den tyske fysikern Gustav Mie från början av 1900-talet. som utvecklade ekvationer för att beskriva varför små metallpartiklar får målat glasfönster att lysa så starkt.
Mie resonanser kommer att uppstå med raka nanotrådar, men genom att vrida nanotråden till en spiralform fann Bayindir och Khudiyev att de kunde dra dubbel nytta av fenomenet.
"När nanofjäderperioden matchar Mie-resonanspunkterna, ett tillstånd med "dubbel resonans" uppstår som ökar effektiviteten i ljusskörd, " sa Khudiyev.
Dessutom, vridning av tråden uppåt förkortade dess längd, spara upp till 50 procent av den ursprungliga ytan.
Den förbättrade ljusskördningseffektiviteten hos nanofjädrar öppnar nya möjligheter att bygga enheter i nanoskala som driver sig själva – till exempel sensorer för att upptäcka miljögifter eller för att övervaka en bros strukturella integritet.
"Vår nanofjäderform inducerar mer effekt både i det breda spektrumet och vid någon önskad enstaka punkt (som enkelt kan konstrueras), och dessa gör det möjligt att driva mer avancerade nanosystem med ett enda nanofjäderbaserat solcellssystem, " sa Khudiyev.
Effektivitetsförbättringarna som forskarna rapporterar beräknades med hjälp av ett avancerat beräkningsverktyg. "Experimentell observation av en nanofjäderbaserad fotosensordesign och dess integration i ett storskaligt fiberinbäddat system skulle vara intressant som nästa steg, sa Bayindir.
Gruppen har redan utvecklat ett enkelt sätt att producera nanofjädrar genom att först göra långa nanotrådar, sedan värma dem till en temperatur vid vilken arrayerna kan vridas till nanofjäderformen. Tekniken kan varieras för att kontrollera fjäderns diameter och krullens täthet.
