Allt material består av atomer, som vibrerar. Dessa vibrationer, eller 'fononer', är ansvariga, till exempel, för hur elektrisk laddning och värme transporteras i material. Vibrationer av metaller, halvledare, och isolatorer i är väl studerade; dock, nu har material nanoformat för att ge bättre prestanda till applikationer som skärmar, sensorer, batterier, och katalytiska membran. Vad som händer med vibrationer när ett material är i nanostorlek har hittills inte förståtts.

Mjuka ytor vibrerar starkt

I en färsk publikation i Natur , ETH Professor Vanessa Wood och hennes kollegor förklarar vad som händer med atomvibrationer när material har nanostorlek och hur denna kunskap kan användas för att systematiskt konstruera nanomaterial för olika tillämpningar.

Uppsatsen visar att när material görs mindre än cirka 10 till 20 nanometer – dvs. 5, 000 gånger tunnare än en mänsklig luft - vibrationerna i de yttersta atomlagren på nanopartikelns yta är stora och spelar en viktig roll för hur detta material beter sig.

"För vissa applikationer, som katalys, termoelektrisk, eller supraledning, dessa stora vibrationer kan vara bra, men för andra applikationer som lysdioder eller solceller, dessa vibrationer är oönskade, " förklarar Wood.

Verkligen, tidningen förklarar varför nanopartikelbaserade solceller hittills inte uppfyllt sitt fulla löfte. Forskarna visade med hjälp av både experiment och teori att ytvibrationer interagerar med elektroner för att minska fotoströmmen i solceller.

"Nu när vi har bevisat att ytvibrationer är viktiga, vi kan systematiskt designa material för att undertrycka eller förbättra dessa vibrationer, säger Wood.

Förbättring av solceller

Woods forskargrupp har arbetat länge med en viss typ av nanomaterial - kolloidala nanokristaller - halvledare med en diameter på 2 till 10 nanometer. Dessa material är intressanta eftersom deras optiska och elektriska egenskaper är beroende av deras storlek, som lätt kan ändras under syntesen.

Dessa material används nu kommersiellt som röda och gröna ljusstrålare i LED-baserade TV-apparater och undersöks som möjliga material till låg kostnad, lösningsbearbetade solceller. Forskare har märkt att placering av vissa atomer runt ytan av nanokristallen kan förbättra solcellernas prestanda. Anledningen till att detta fungerade hade inte förståtts. Verket publicerat i Natur papper ger nu svaret:ett hårt skal av atomer kan undertrycka vibrationerna och deras interaktion med elektroner. Detta innebär en högre fotoström och en högre effektiv solcell.

Stor vetenskap för att studera nanoskalan

Experiment utfördes i professor Woods labb vid ETH Zürich och vid den schweiziska spallationsneutronkällan vid Paul Scherrer-institutet. Genom att observera hur neutroner sprider av atomer i ett material, det är möjligt att kvantifiera hur atomer i ett material vibrerar. För att förstå neutronmätningarna, simuleringar av atomvibrationerna kördes på Swiss National Supercomputing Center (CSCS) i Lugano. Wood säger, "utan tillgång till dessa stora anläggningar, detta arbete skulle inte ha varit möjligt. Vi är otroligt lyckligt lottade här i Schweiz som har dessa anläggningar i världsklass."