Le nitrure de gallium (GaN) et l'oxyde de zinc (ZnO) sont parmi les matériaux semi-conducteurs les plus pertinents sur le plan technologique. Le nitrure de gallium est aujourd'hui omniprésent dans les éléments optoélectroniques tels que les lasers bleus (d'où le disque blue-ray) et les diodes électroluminescentes (LED); l'oxyde de zinc trouve également de nombreuses utilisations dans l'optoélectronique et les capteurs.
Au cours des dernières années, bien que, les nanostructures constituées de ces matériaux ont montré une pléthore de fonctionnalités potentielles, allant des lasers et LED à nanofil unique à des dispositifs plus complexes tels que des résonateurs et, plus récemment, nanogénérateurs qui convertissent l'énergie mécanique de l'environnement (mouvements du corps, par exemple) pour alimenter des appareils électroniques. Cette dernière application repose sur le fait que GaN et ZnO sont également des matériaux piézoélectriques, ce qui signifie qu'ils produisent des charges électriques lorsqu'ils sont déformés.
Dans un article publié en ligne dans la revue Lettres nano , Horacio Espinosa, le professeur James N. et Nancy J. Farley en fabrication et entrepreneuriat à la McCormick School of Engineering and Applied Science de la Northwestern University, et Ravi Agrawal, un étudiant diplômé du laboratoire d'Espinosa, ont rapporté que la piézoélectricité dans les nanofils de GaN et de ZnO est en fait améliorée jusqu'à deux ordres de grandeur à mesure que le diamètre des nanofils diminue.
"Cette découverte est très excitante car elle suggère que la construction de nanogénérateurs, les capteurs et autres dispositifs à partir de nanofils plus petits amélioreront considérablement leur sortie et leur sensibilité, " a déclaré Espinosa.
"Nous avons utilisé une méthode de calcul appelée Density Functional Theory (DFT) pour modéliser des nanofils de GaN et ZnO de diamètres allant de 0,6 nanomètres à 2,4 nanomètres, " a déclaré Agrawal. La méthode de calcul est capable de prédire la distribution électronique des nanofils lorsqu'ils sont déformés et, donc, permet de calculer leurs coefficients piézoélectriques.
Les résultats des chercheurs montrent que le coefficient piézoélectrique dans les nanofils de 2,4 nanomètres de diamètre est environ 20 fois plus grand et environ 100 fois plus grand pour les nanofils ZnO et GaN, respectivement, par rapport au coefficient des matériaux à l'échelle macroscopique. Cela confirme les résultats de calcul précédents sur les nanostructures de ZnO qui ont montré une augmentation similaire des propriétés piézoélectriques. Cependant, des calculs de piézoélectricité de nanofils de GaN en fonction de la taille ont été réalisés dans ce travail pour la première fois, et les résultats sont clairement plus prometteurs car GaN montre une augmentation plus importante.
"Nos calculs révèlent que l'augmentation du coefficient piézoélectrique est le résultat de la redistribution des électrons à la surface des nanofils, ce qui conduit à une augmentation de la polarisation dépendante de la déformation par rapport aux matériaux massifs, " a déclaré Espinosa.
Les découvertes d'Espinosa et d'Agrawal peuvent avoir des implications importantes pour le domaine de la récupération d'énergie ainsi que pour la science fondamentale. Pour la récupération d'énergie, où des éléments piézoélectriques sont utilisés pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique afin d'alimenter des appareils électroniques, ces résultats indiquent un avantage dans la réduction de la taille des éléments piézoélectriques jusqu'à l'échelle nanométrique. Les dispositifs de récupération d'énergie construits à partir de nanofils de petit diamètre devraient en principe être capables de produire plus d'énergie électrique à partir de la même quantité d'énergie mécanique que leurs homologues en vrac.
En termes de science fondamentale, ces résultats viennent compléter les conclusions précédentes selon lesquelles la matière à l'échelle nanométrique a des propriétés différentes. Il est clair maintenant qu'en adaptant la taille des nanostructures, leur mécanique, Les propriétés électriques et thermiques peuvent également être réglées.
« Notre objectif reste de comprendre les principes fondamentaux régissant le comportement des nanostructures en fonction de leur taille, " Espinosa et Agrawal disent. " L'un des problèmes les plus importants à résoudre est d'obtenir la confirmation expérimentale de ces résultats, et établir jusqu'à quelle taille les effets piézoélectriques géants restent significatifs."
Espinosa et Agrawal espèrent que leurs travaux susciteront un nouvel intérêt pour les propriétés électromécaniques des nanostructures, tant du point de vue théorique qu'expérimental, afin d'ouvrir la voie à la conception et à l'optimisation des futurs dispositifs nanométriques.
