Написано AZoNano [19459]

Одна нанотрубка может быть полезной для электроники, но есть новые доказательства того, что две могут быть вершинами.

Инженеры Университета Райса уже знали, что размер имеет значение при использовании одностенных углеродных нанотрубок для их электрических свойств. Но до сих пор никто не изучал, как действуют электроны при столкновении с русской кукловидной структурой многостенных трубок.

Борис Якобсон, теоретик лаборатории материаловедения Райса, рассчитал влияние кривизны полупроводниковых углеродных нанотрубок с двойными стенками на их флексоэлектрическое напряжение, меру электрического дисбаланса между внутренней и внешней стенками нанотрубки.

Это влияет на то, насколько подходящими могут быть вложенные пары нанотрубок для применений в наноэлектронике, особенно в фотоэлектрических.

Теоретические исследования группы Якобсона по инженерной школе Брауна опубликованы в журнале Американского химического общества Nano Letters .

В исследовании 2002 года Якобсон и его коллеги из Райса показали, как перенос заряда, разность между положительными и отрицательными полюсами, которая позволяет существовать напряжению между одним и другим, линейно масштабируется до кривизны стенки нанотрубки. Ширина трубки определяет кривизну, и лаборатория обнаружила, что чем тоньше нанотрубка (и, следовательно, больше кривизна), тем больше потенциальное напряжение.

Когда атомы углерода образуют плоский графен, плотность заряда атомов с обеих сторон плоскости одинакова, сказал Якобсон. Изгибание листа графена в трубу нарушает эту симметрию, изменяя баланс.

Это создает флексоэлектрический локальный диполь в направлении и пропорционально кривизне, по словам исследователей, которые отметили, что флексоэлектричество двумерного углерода «является замечательным, но также довольно тонким эффектом».

Но более одной стенки значительно усложняет баланс, изменяя распределение электронов. В двухслойных нанотрубках кривизна внутренней и наружной трубок различна, что дает каждой четкую запрещенную зону. Кроме того, модели показали, что флексоэлектрическое напряжение внешней стенки сдвигает запрещенную зону внутренней стенки, создавая ступенчатое выравнивание полос во вложенной системе.

Новизна заключается в том, что во вставленной трубке, «детской» (внутри) матрешке, все квантовые уровни энергии сдвинуты из-за напряжения, создаваемого внешней нанотрубкой ».

Борис Якобсон, Quantlab Financial, Хьюстон

Взаимодействие различных кривизн, по его словам, вызывает переход шириной запрещенной зоны в колеблющуюся область, который происходит при предполагаемом критическом диаметре около 2,4 нм.

«Это огромное преимущество для солнечных элементов, по сути, необходимое условие для разделения положительных и отрицательных зарядов для создания тока», – сказал Якобсон. «Когда свет поглощается, электрон всегда прыгает с вершины занятой валентной зоны (оставляя« плюсовую »дыру позади») в самое низкое состояние пустой зоны проводимости.

«Но в шахматном порядке они оказываются в разных трубах или слоях», – сказал он. «Плюс» и «минус» разделяются между трубками и могут вытекать, генерируя ток в цепи ».

Расчеты команды также показали, что изменение поверхности нанотрубок положительными или отрицательными атомами может создать «существенные напряжения любого знака» до трех вольт. «Хотя функционализация может сильно нарушить электронные свойства нанотрубок, она может быть очень мощным способом индуцирования напряжения для определенных применений», – писали исследователи.

Команда предположила, что полученные результаты могут применяться к другим типам нанотрубок, включая нитрид бора и дисульфид молибдена, сами по себе или в качестве гибридов с углеродными нанотрубками.

Источник: https://news.rice.edu/2020/03/27/double-walled-nanotubes-have-electro-optical-advantages/