En nanorör kan vara bra för elektronikapplikationer, men det finns nya bevis för att två kan vara toppar.

Rice Universitys ingenjörer visste redan att storlek spelar roll när man använder enkelväggiga kolnanorör för deras elektriska egenskaper. Men tills nu, ingen hade studerat hur elektroner agerar när de konfronteras med den ryska dockliknande strukturen i flerväggiga rör.

Materialteoretikerns rislabb Boris Yakobson har nu beräknat effekten av krökning av halvledande dubbelväggiga kolnanorör på deras flexoelektriska spänning, ett mått på elektrisk obalans mellan nanorörets inre och yttre väggar.

Detta påverkar hur lämpliga kapslade nanorörspar kan vara för nanoelektronikapplikationer, speciellt solceller.

Den teoretiska forskningen från Yakobsons Brown School of Engineering-grupp visas i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .

I en studie från 2002, Yakobson och hans Rice-kollegor hade avslöjat hur avgiftsöverföring, skillnaden mellan positiva och negativa poler som tillåter spänning att existera mellan den ena och den andra, skala linjärt till krökning av nanorörsväggen. Rörets bredd dikterar krökning, och labbet fann att ju tunnare nanoröret (och därmed större krökningen) ju större potentialspänning.

När kolatomer bildar platt grafen, laddningstätheten för atomerna på båda sidor av planet är identiska, Sa Yakobson. Att böja grafenarket till ett rör bryter den symmetrin, ändra balansen.

Det skapar en flexoelektrisk lokal dipol i riktning mot, och proportionell mot, krökningen, enligt forskarna, som noterade att flexoelektriciteten för 2-D-kol "är en anmärkningsvärd men också ganska subtil effekt."

Men mer än en vägg komplicerar avsevärt balansen, förändrar fördelningen av elektroner. I dubbelväggiga nanorör, krökningen på de inre och yttre rören skiljer sig, ger var och en ett distinkt bandgap. Dessutom, modellerna visade att den yttre väggens flexoelektriska spänning förskjuter bandgapet på den inre väggen, skapa en förskjuten bandinriktning i det kapslade systemet.

"Nyheten är att det införda röret, "baby" (inuti) matryoshka har alla sina kvantenerginivåer förskjutna på grund av spänningen som skapas av yttre nanorör, " sa Yakobson. Samspelet mellan olika krökningar, han sa, orsakar en gränsöverskridande-till-förskjutet bandgap-övergång som äger rum vid en uppskattad kritisk diameter på cirka 2,4 nanometer.

"Detta är en stor fördel för solceller, i huvudsak en förutsättning för att separera positiva och negativa laddningar för att skapa en ström, " sa Yakobson. "När ljus absorberas, en elektron hoppar alltid från toppen av ett ockuperat valensband (lämnar ett "plus" -hål bakom) till det lägsta tillståndet av tom konduktansband.

"Men i en förskjuten konfiguration råkar de vara i olika rör, eller lager, "sa han." Plus "och" minus "separeras mellan rören och kan rinna iväg genom att generera ström i en krets."

Teamets beräkningar visade också att modifiering av nanorörens ytor med antingen positiva eller negativa atomer kunde skapa "avsevärda spänningar av båda tecken" upp till tre volt. "Även om funktionalisering starkt kan störa de elektroniska egenskaperna hos nanorör, det kan vara ett mycket kraftfullt sätt att inducera spänning för vissa applikationer, "skrev forskarna.

Teamet föreslog att dess resultat kan gälla andra typer av nanorör, inklusive bornitrid och molybdendisulfid, på egen hand eller som hybrider med kolnanorör.