Исследователи NTNU Дирадж Даса и Хельге Веман в сотрудничестве с IBM обнаружили, что арсенид галлия можно настроить с небольшой нагрузкой, чтобы он мог эффективно работать как отдельный светодиод или фотодетектор. Этому способствует особая гексагональная кристаллическая структура, называемая вюрцитом, которую исследователям NTNU удалось вырастить в лаборатории MBE в NTNU. Результаты были опубликованы в Nature Communications на этой неделе.За последние несколько лет в NTNU произошел значительный прорыв в исследованиях нанопроводов и графена.
В 2010 году профессора Хельге Веман, Бьорн-Уве Фимланд и Тон ван Хельворт и их академическая группа обнародовали свои первые революционные открытия в этой области.Исследователям, специализирующимся на выращивании нанопроволок, удалось контролировать изменение кристаллической структуры во время роста нанопроволок.
Изменяя кристаллическую структуру в веществе, то есть изменяя положение атомов, вещество может приобретать совершенно новые свойства. Исследователи NTNU обнаружили, как изменить кристаллическую структуру в нанопроводах из арсенида галлия и других полупроводников.
Таким образом, была заложена основа для более эффективных солнечных элементов и светодиодов.«Наше открытие заключалось в том, что мы могли манипулировать структурой, атом за атомом.
Мы могли манипулировать атомами и изменять кристаллическую структуру во время роста нанопроволок. Это открывало огромные новые возможности. Мы были одними из первых в мире которые смогли создать новый арсенид галлия с другой кристаллической структурой », — говорит Хельге Веман из Департамента электроники и телекоммуникаций.
Этот процесс существует и в природе. Например, алмаз и графит — последний используется как «грифель» в карандашах — состоят из одних и тех же атомов углерода. Но их кристаллические структуры разные.
И теперь исследователи также могут изменять структуру нанопроволок на атомном уровне.Графен, суперматериалСледующая большая новость пришла в 2012 году.
Тогда исследователям удалось заставить полупроводниковые нанопроволоки расти на сверхматериале графене. Графен — самый тонкий и прочный материал из когда-либо созданных.
Это открытие было описано как революция в разработке солнечных элементов и светодиодных компонентов.Со временем графен может заменить кремний в качестве компонента электронных схем.
Сегодня кремний используется для производства как электроники, так и солнечных элементов. Графен проводит электричество в 100 раз быстрее, чем кремний, и его толщина составляет всего один атом, тогда как кремниевая пластина обычно в миллионы раз толще. Графен также, вероятно, будет дешевле кремния всего через несколько лет.
Исследовательская группа привлекла к методу графена большое международное внимание. Хельге Веман и его соучредители NTNU Бьорн-Уве Фимланд и Донг-Чул Ким основали компанию CrayoNano AS, работающую с запатентованным изобретением, которое выращивает полупроводниковые нанопровода на графене. Этот метод называется молекулярно-лучевой эпитаксией (МБЭ), и гибридный материал обладает хорошими электрическими и оптическими свойствами.«Мы показываем, как использовать графен для создания гораздо более эффективных и гибких электронных продуктов, в первую очередь солнечных батарей и белых светоизлучающих диодов (LED).
В будущем нас ждут гораздо более продвинутые приложения», — говорит Веман.Высокоэффективные солнечные элементы«Наша цель — создать солнечные элементы, которые будут более эффективными, чем если бы они были сделаны по технологии тонких пленок», — подчеркивает Веман.
Тонкопленочная технология — это термин от технологии солнечных батарей. Эта технология позволяет создавать сверхтонкие панели солнечных батарей, в которых активный слой, преобразующий солнечный свет в электричество, имеет толщину не более трех микрометров, то есть трех тысяч миллиметров. Малый вес позволяет легко транспортировать, устанавливать и обслуживать солнечные элементы, а на практике их можно раскатывать, как рубероид, в большинстве зданий.Теперь комбинация нанопроволок и графена позволяет создавать более широкие и гибкие солнечные элементы.
В тонких пленках, таких как арсенид галлия, атомы кубически расположены в фиксированной, заранее заданной структуре. Когда исследователи манипулируют структурой атомов внутри нанопроволоки, они могут выращивать как кубические, так и гексагональные кристаллические структуры. Различные структуры обладают совершенно разными свойствами, например, когда речь идет об оптических свойствах.
Новые открытия, новые возможностиПоследние пару лет исследовательская группа, среди прочего, изучала уникальную гексагональную кристаллическую структуру в нанопроволоках GaAs.
«В сотрудничестве с IBM мы обнаружили, что если мы растянем эти нанопроволоки, они будут работать достаточно хорошо как светодиоды. Кроме того, если мы нажмем на нанопровода, они будут работать достаточно хорошо как фотодетекторы. Этому способствует гексагональная кристаллическая структура. , называемый вюрцитом, упрощает изменение структуры для оптимизации оптического эффекта для различных применений.«Это также дает нам гораздо лучшее понимание, позволяя нам проектировать нанопроволоки со встроенным сжимающим напряжением, например, чтобы сделать их более эффективными в солнечном элементе.
Это может, например, использоваться для разработки различных датчиков давления или для собирать электрическую энергию, когда нанопроволоки изгибаются », — объясняет Веман.Благодаря этой новой способности манипулировать кристаллической структурой нанопроволок можно создавать высокоэффективные солнечные элементы, которые производят более высокую электрическую мощность. Кроме того, тот факт, что CrayoNano теперь может выращивать нанопровода на сверхлегком, прочном и гибком графене, позволяет производить очень гибкие и легкие солнечные элементы.
Группа CrayoNano теперь также начнет выращивать нанопроволоки нитрида галлия для использования в белых светодиодах.«Одна из наших целей — создать нанопроволоки из нитрида галлия на недавно установленной машине MBE в NTNU для создания светодиодов с лучшими оптическими свойствами — и выращивать их на графене, чтобы сделать их гибкими, легкими и прочными».