Med ny teknik som blir mindre och mindre, kräver större energistöd med fler alternativ, University of Cincinnati fysikforskning pekar på ny robust elektrisk potential med hjälp av kvantnanotrådsstrukturer.

De små mirakelfibrerna kan leda till framsteg inom känslig elektronisk teknik, inklusive värmedetekterande optiska infraröda sensorer och biomedicinsk testning, som alla kan passa inuti små elektriska apparater.

Med stöd av ett batteri av NSF-anslag, UC -forskargruppen har arbetat med ett team av fysiker, elektroniska materialingenjörer och doktorander från hela världen - allt för att perfekta tillväxten och utvecklingen av kristallina nanotrådsfibrer som utgör ryggraden i nanoteknik.

Men för att fullt ut tillämpa denna teknik på moderna enheter, UC-forskare tittar först noga-på en grundläggande nivå-på hur energi fördelas och mäts längs tunnsträngade nanotrådar så små att tusentals av dem teoretiskt skulle kunna passa in i ett människohår.

"Nu när vi vet att tekniken kan utvecklas, vi måste förstå exakt hur de elektriska processerna fungerar inuti nanotrådarna, "säger Howard Jackson och Leigh Smith, professorer i fysik vid University of Cincinnati. "Efter att äntligen fulländat en standardiserad process för att odla och utveckla kristallina nanotrådfibrer med våra partners vid Australian National University i Canberra, vi har kunnat ta det ett steg längre.

"Med en kombination av material som indiumgalliumarsenid, vi kan utveckla tunna nanotrådskärnor med skyddande yttre skal. "

Även med otroligt små massor, det visar sig att de unika nanotrådarna har ovanligt stora spinnomloppsinteraktioner, som forskarna finner kan leda elektricitet riktigt bra och kan hjälpa till att förbättra värmeavkännande infraröda detektorer för små militära enheter.

Jackson och Smith presenterar dessa anmärkningsvärda fynd vid American Physical Society Conference, i Baltimore, 16 mars kl. betitlad, "Utforska dynamik och bandstruktur i mitten infraröd GaAsSb och GaAsSb/InP Nanowire Heterostructures."

LITEN MEN MÄKTIG

Forskarna hävdar att hemligheten till framgången för denna mångsamarbete är i kombinationen av material som används för att skapa nanotrådarna. Ursprungligen odlad vid Australian National University i Canberra, nanotrådarna kommer från en kombination av pärlor av smält guld spridda över en viss yta.

När processen värms in i en kammare med hjälp av indiumgalliumarsenidgaser, långa mikroskopiskt tunna kärnfibrer växer upp mellan den kontrollerade ytmiljön.

Andra materialkombinationer introduceras sedan för att bilda ett yttre skal som fungerar som ett hölje runt varje kärna, vilket resulterar i halvledande heterostrukturer av kvant -nanotråd, alla enhetliga i storlek, form och beteende.

Efter att fibrerna har skickats över hela världen till Cincinnati, Jackson, Smith och deras team av doktorander kan sedan använda sofistikerad utrustning för att mäta de elektriska och fotovoltaiska potentialerna för varje fiber längs dess yta.

I tidigare forskning, det samarbetande teamet fann yttre och inneboende problem när fiberkärnorna inte hade de yttre mantelliknande skalen.

"Om vi ​​inte har den här ytterhöljet, nanotrådarna har en mycket kort energilivslängd, säger Jackson. "När vi omger kärnan med detta hölje, energilivslängden kan öka med en order eller två storleksordningar (effekt i watt)."

Och medan enbart galliumarsenid är en mycket vanlig halvledare, dess energiklyfta är stort och i det synliga området, som absorberar ljus. För att nå framgång med att detektera optisk värme eller infraröd, teamet säger att användning av indiumgalliumarsenidfibrer ger mindre energiklyftor som framgångsrikt kan användas i optiska detektorer.

"Målet för ett av våra forskningsutrustningsbidrag är att arbeta med det lokala L3 Cincinnati Electronics Company, som gör infraröda (små gap) detektorer för mörkerseende för militära tillämpningar, "säger Smith." Framtida direktapplikationer för denna typ av teknik inkluderar också medicinsk utrustning som detekterar kroppsvärme, samt fjärrsensorer installerade i iphones som kan användas för miljöändamål som detekterar och mäter värmeförlust i hus. "

Forskarna säger att denna nya nanotrådsteknik är särskilt unik eftersom den kan förvandla olika typer av ljus till en elektrisk signal, och i det här fallet betyder det att förvandla ett infrarött ljus till en elektrisk signal som kan mätas.

Smith förklarar att med nanotrådarnas geometri kan du ha en lång axel som löper längden på tråden, vilket ger dig massor av möjligheter till absorption när ljuset faller, men då har du också denna mycket små diameter.

"När kontakterna varvas på båda sidor, i princip behöver elektronerna i hålen inte resa särskilt långt innan de samlas in, "säger Smith." Så i princip kan det bli en mer effektiv detektor såväl som en mer effektiv solcell. "

NÄR STORLEKEN ÄR FRÅGOR

"När du kommer till mycket små dimensioner i nanotrådar som är små i diameter, men är några mikron långa, dessa egenskaper ändras sedan och kan visa en kvant (ändligt antal) egenskaper och bli nästan endimensionella, " säger Jackson. "Fysiken förändras sedan när du ändrar dessa storlekar."

Jackson och Smith fann att nanotrådens ultratunna yttre skal fungerade bäst vid bredder på fyra till åtta nanometer, vilket är 25, 00 och 12, 500 gånger mindre, än människohårets diameter.

När man tittar på de övergripande fördelarna med att arbeta med mikroskopiska nanostrukturer ser forskarna en enorm återbetalningspotential för dess förmåga att packa mycket mer högenergieffektivitet i små enheter med begränsat utrymme. Det närmar sig en win-win för alla, de säger, speciellt när denna forskning går in i nästa steg, föra det närmare att fungera inuti elektroniska och optiska sensorenheter.

"Vår grundläggande undersökning är fortfarande ett steg bort från en direkt optisk apparatapplikation, ", säger Jackson. "Men du kan tydligt se över tiden att den här samarbetsforskningen har fått genomslag."