Con la nuova tecnologia sempre più piccola, che richiedono un maggiore supporto energetico con più opzioni, La ricerca sulla fisica dell'Università di Cincinnati punta a un nuovo e robusto potenziale elettrico utilizzando strutture di nanocavi quantistici.

Le minuscole fibre miracolose possono portare a progressi nella tecnologia elettronica sensibile, compresi i sensori ottici a infrarossi per il rilevamento del calore e i test biomedici, tutto ciò può essere inserito all'interno di piccoli dispositivi elettrici.

Supportato da una serie di sovvenzioni NSF, il team di ricerca UC ha lavorato con un team collaborativo di fisici, ingegneri dei materiali elettronici e dottorandi di tutto il mondo, il tutto per perfezionare la crescita e lo sviluppo di fibre di nanofili cristalline che costituiscono la spina dorsale della nanotecnologia.

Ma per applicare completamente questa tecnologia ai dispositivi moderni, I ricercatori UC stanno prima esaminando da vicino –– a un livello fondamentale –– come l'energia viene distribuita e misurata lungo nanocavi a filamento sottile così piccoli che migliaia di essi potrebbero teoricamente stare all'interno di un capello umano.

"Ora che sappiamo che la tecnologia può essere sviluppata, dobbiamo capire esattamente come funzionano i processi elettrici all'interno dei nuclei dei nanofili, "dicono Howard Jackson e Leigh Smith, Professori di fisica all'Università di Cincinnati. "Dopo aver finalmente perfezionato un processo standardizzato per la crescita e lo sviluppo di fibre di nanofili cristalline con i nostri partner presso l'Australian National University di Canberra, siamo stati in grado di fare un ulteriore passo avanti.

"Utilizzando una combinazione di materiali come l'arseniuro di indio e gallio, possiamo sviluppare nuclei di nanofili sottili con gusci esterni protettivi".

Anche con masse incredibilmente piccole, si scopre che i nanofili unici hanno interazioni di spin orbite insolitamente grandi, che i ricercatori trovano può condurre l'elettricità molto bene e può aiutare a migliorare i rilevatori a infrarossi con rilevamento del calore per piccoli dispositivi militari.

Jackson e Smith presentano questi straordinari risultati alla Conferenza dell'American Physical Society, a Baltimora, 16 marzo intitolato, "Esplorare la dinamica e la struttura delle bande nelle eterostrutture Nanowire GaAsSb e GaAsSb/InP nel medio infrarosso".

PICCOLO MA POTENTE

I ricercatori affermano che il segreto del successo di questo sforzo multi-collaborativo risiede nella combinazione di materiali utilizzati per creare i nanofili. Inizialmente cresciuto presso l'Australian National University di Canberra, i nanofili sono germogliati da una combinazione di perline di oro fuso sparse su una particolare superficie.

Poiché il processo viene riscaldato all'interno di una camera utilizzando gas di arseniuro di indio e gallio, lunghe fibre del nucleo microscopicamente sottili spuntano dall'ambiente superficiale controllato.

Vengono quindi introdotte altre combinazioni di materiali per formare un guscio esterno che funge da guaina attorno a ciascun nucleo, risultando in eterostrutture semiconduttrici di nanofili quantistici tutte di dimensioni uniformi, forma e comportamento.

Dopo che le fibre sono state spedite in tutto il mondo a Cincinnati, Jackson, Smith e il loro team di dottorandi sono quindi in grado di utilizzare apparecchiature sofisticate per misurare i potenziali elettrici e fotovoltaici di ciascuna fibra lungo la sua superficie.

Nelle ricerche precedenti, il team collaborativo ha riscontrato problemi estrinseci e intrinseci quando i nuclei delle fibre non avevano i gusci esterni simili a guaine.

"Se non abbiamo questa guaina esterna, i nanofili hanno una vita energetica molto breve, dice Jackson. "Quando circondiamo il nucleo con questa guaina, la durata dell'energia può aumentare di uno o due ordini di grandezza (potenza in watt)."

E mentre l'arseniuro di gallio da solo è un semiconduttore molto comune, il suo gap energetico è ampio e nel campo visibile, che assorbe la luce. Per ottenere risultati positivi nel rilevamento del calore ottico o dell'infrarosso, il team afferma che l'utilizzo di fibre di arseniuro di indio gallio produce gap energetici più piccoli che possono essere utilizzati con successo nei dispositivi di rilevamento ottico.

"L'obiettivo di una delle nostre sovvenzioni per le attrezzature di ricerca è lavorare con la locale L3 Cincinnati Electronics Company, che realizza rilevatori a infrarossi (small gap) per immagini di visione notturna per applicazioni militari, " afferma Smith. "Le future applicazioni dirette per questo tipo di tecnologia includono anche dispositivi medici che rilevano il calore corporeo, così come i sensori remoti installati negli iPhone che possono essere utilizzati per scopi ambientali che rilevano e misurano la perdita di calore nelle case."

I ricercatori affermano che questa nuova tecnologia a nanofili è particolarmente unica perché può trasformare diversi tipi di luce in un segnale elettrico, e in questo caso significa trasformare una luce infrarossa in un segnale elettrico misurabile.

Smith spiega che con la geometria dei nanofili si può avere un asse lungo che percorre la lunghezza del filo, che ti dà molte possibilità di assorbimento quando la luce scende, ma poi hai anche questo diametro molto piccolo.

"Quando i contatti sono intervallati lungo entrambi i lati, in sostanza quindi gli elettroni nei fori non devono viaggiare molto lontano prima di essere raccolti, " dice Smith. "Quindi in linea di principio può diventare un rivelatore più efficace così come una cella solare più efficace".

QUANDO LA DIMENSIONE CONTA

"Quando si arriva a dimensioni molto ridotte in nanofili di piccolo diametro, ma sono lunghi pochi micron, quelle proprietà poi cambiano e possono mostrare un quantum (numero finito) di proprietà e diventare quasi unidimensionali, " dice Jackson. "La fisica cambia poi come si cambiano quelle dimensioni."

Jackson e Smith hanno scoperto che i gusci esterni ultrasottili del nanofilo funzionavano meglio con larghezze da quattro a otto nanometri, che è 25, 00 e 12, 500 volte più piccolo rispettivamente, del diametro di un capello umano.

Quando si esaminano i vantaggi generali del lavoro con nanostrutture microscopiche, i ricercatori vedono un enorme potenziale di ritorno economico per la sua capacità di racchiudere molta più efficienza energetica in piccoli dispositivi con uno spazio finito. Si sta avvicinando a una vittoria per tutti, stanno dicendo, soprattutto quando questa ricerca entra nella fase successiva, avvicinandolo al funzionamento all'interno di dispositivi elettronici e sensori ottici.

"La nostra indagine fondamentale è ancora a un passo da un'applicazione diretta del dispositivo ottico, " dice Jackson. "Ma puoi vedere chiaramente nel tempo che questa ricerca collaborativa ha avuto un impatto".