Con la nueva tecnología cada vez más pequeña, requiriendo un mayor apoyo energético con más opciones, La investigación en física de la Universidad de Cincinnati apunta a un nuevo potencial eléctrico robusto utilizando estructuras cuánticas de nanocables.

Las diminutas fibras milagrosas pueden conducir a avances en tecnología electrónica sensible, incluidos sensores infrarrojos ópticos de detección de calor y pruebas biomédicas. todo lo cual puede caber dentro de pequeños dispositivos eléctricos.

Apoyado por una batería de subvenciones NSF, el equipo de investigación de la UC ha trabajado con un equipo colaborativo de físicos, ingenieros de materiales electrónicos y estudiantes de doctorado de todo el mundo, todo para perfeccionar el crecimiento y desarrollo de las fibras cristalinas de nanocables que forman la columna vertebral de la nanotecnología.

Pero para aplicar completamente esta tecnología a los dispositivos modernos, Los investigadores de la UC están observando primero de cerca, en un nivel fundamental, cómo se distribuye y mide la energía a lo largo de nanocables de hebras finas tan pequeñas que, en teoría, miles de ellos podrían caber dentro de un cabello humano.

"Ahora que sabemos que la tecnología se puede desarrollar, necesitamos entender exactamente cómo funcionan los procesos eléctricos dentro de los núcleos de nanocables, "dicen Howard Jackson y Leigh Smith, profesores de física de la Universidad de Cincinnati. "Después de finalmente perfeccionar un proceso estandarizado para cultivar y desarrollar fibras de nanocables cristalinas con nuestros socios en la Universidad Nacional Australiana en Canberra, hemos podido dar un paso más.

"Usando una combinación de materiales como el arseniuro de galio indio, podemos desarrollar núcleos delgados de nanocables con capas exteriores protectoras ".

Incluso con masas increíblemente pequeñas, resulta que los nanocables únicos tienen interacciones de órbita de espín inusualmente grandes, que, según los investigadores, puede conducir la electricidad muy bien y puede ayudar a mejorar los detectores infrarrojos sensibles al calor para pequeños dispositivos militares.

Jackson y Smith están presentando estos notables hallazgos en la Conferencia de la Sociedad Estadounidense de Física, en Baltimore, 16 de marzo noble, "Exploración de la dinámica y la estructura de bandas en heteroestructuras de nanocables GaAsSb y GaAsSb / InP de infrarrojo medio".

PEQUEÑO PERO PODEROSO

Los investigadores afirman que el secreto del éxito de este esfuerzo de colaboración múltiple está en la combinación de materiales utilizados para crear los nanocables. Cultivado inicialmente en la Universidad Nacional de Australia en Canberra, los nanocables surgen de una combinación de perlas de oro fundido esparcidas por una superficie en particular.

A medida que el proceso se calienta dentro de una cámara utilizando gases de arseniuro de galio indio, largas fibras de núcleo microscópicamente delgadas brotan de entre el entorno de la superficie controlada.

Luego se introducen otras combinaciones de materiales para formar una capa exterior que actúa como una funda alrededor de cada núcleo, dando como resultado heteroestructuras semiconductoras de nanocables cuánticos, todas de tamaño uniforme, forma y comportamiento.

Una vez que las fibras se envían por todo el mundo a Cincinnati, Jackson Smith y su equipo de estudiantes de doctorado pueden utilizar equipos sofisticados para medir los potenciales eléctricos y fotovoltaicos de cada fibra a lo largo de su superficie.

En investigaciones anteriores, El equipo colaborativo encontró problemas extrínsecos e intrínsecos cuando los núcleos de fibra no tenían las cubiertas exteriores en forma de vaina.

"Si no tenemos esta funda exterior, los nanocables tienen una vida útil energética muy corta, dice Jackson. "Cuando rodeamos el núcleo con esta funda, la vida útil de la energía puede aumentar en un orden o dos órdenes de magnitud (potencia en vatios) ".

Y aunque el arseniuro de galio solo es un semiconductor muy común, su brecha de energía es grande y en el rango visible, que absorbe la luz. Para lograr el éxito en la detección de calor óptico o infrarrojos, el equipo dice que el uso de fibras de arseniuro de galio indio produce brechas de energía más pequeñas que pueden usarse con éxito en dispositivos detectores ópticos.

"El objetivo de una de nuestras subvenciones para equipos de investigación es trabajar con la empresa local L3 Cincinnati Electronics Company, que fabrica detectores de infrarrojos (brechas pequeñas) para imágenes de visión nocturna para aplicaciones militares, ", dice Smith." Las futuras aplicaciones directas para este tipo de tecnología también incluyen dispositivos médicos que detectan el calor corporal, así como sensores remotos instalados en iphones que se pueden utilizar con fines ambientales que detectan y miden la pérdida de calor en las casas ".

Los investigadores dicen que esta nueva tecnología de nanocables es particularmente única porque puede convertir diferentes tipos de luz en una señal eléctrica. y en este caso significa convertir una luz infrarroja en una señal eléctrica que se puede medir.

Smith explica que con la geometría de los nanocables puede tener un eje largo que recorra la longitud del cable, lo que te da muchas posibilidades de absorción a medida que baja la luz, pero también tienes este diámetro muy pequeño.

"Cuando los contactos se intercalan a lo largo de cualquier lado, esencialmente, entonces los electrones en los agujeros no tienen que viajar muy lejos antes de ser recolectados, ", dice Smith." Así que, en principio, puede convertirse en un detector más eficaz, así como en una célula solar más eficaz ".

CUANDO EL TAMAÑO IMPORTA

"Cuando se llega a dimensiones muy pequeñas en nanocables de diámetro pequeño, pero tienen unas pocas micras de largo, esas propiedades luego cambian y pueden mostrar un número cuántico (número finito) de propiedades y volverse casi unidimensionales, "dice Jackson." La física cambia a medida que cambia esos tamaños ".

Jackson y Smith encontraron que las capas exteriores ultradelgadas del nanoalambre funcionaban mejor en anchos de cuatro a ocho nanómetros, que es 25, 00 y 12, 500 veces más pequeño respectivamente, que el diámetro de un cabello humano.

Al observar los beneficios generales de trabajar con nanoestructuras microscópicas, los investigadores ven un tremendo potencial de recuperación de la inversión por su capacidad para empaquetar mucha más eficiencia energética en dispositivos pequeños con un espacio finito. Se está acercando a un beneficio mutuo para todos, estan diciendo especialmente cuando esta investigación entra en la siguiente etapa, acercándolo al funcionamiento dentro de dispositivos sensores electrónicos y ópticos.

"Nuestra investigación fundamental está todavía a un paso de una aplicación de dispositivo óptico directo, ", dice Jackson." Pero se puede ver claramente con el tiempo que esta investigación colaborativa ha tenido un impacto ".