Les nanofils semi-conducteurs en nitrure de gallium sont très prometteurs dans la prochaine génération de systèmes nano et optoélectroniques. Récemment, des chercheurs de la McCormick School of Engineering ont découvert de nouvelles propriétés piézoélectriques des nanofils qui pourraient les rendre plus utiles dans les nanodispositifs autoalimentés.

Seulement 100 nanomètres de diamètre, les nanofils sont souvent considérés comme unidimensionnels. Mais des chercheurs de la Northwestern University ont récemment rapporté que les nanofils individuels de nitrure de gallium présentent une forte piézoélectricité – un type de génération de charge causée par une contrainte mécanique – en trois dimensions.

Les résultats, dirigé par Horacio Espinosa, James N. et Nancy J. Farley Professeur en fabrication et entrepreneuriat à la McCormick School of Engineering and Applied Science, ont été publiés en ligne le 22 décembre dans Lettres nano .

Le nitrure de gallium (GaN) fait partie des matériaux semi-conducteurs les plus pertinents sur le plan technologique et est aujourd'hui omniprésent dans les éléments optoélectroniques tels que les lasers bleus (d'où le disque à rayons bleus) et les diodes électroluminescentes (DEL). Plus récemment, Il a été démontré que des nanogénérateurs basés sur des nanofils de GaN étaient capables de convertir l'énergie mécanique (telle que le mouvement biomécanique) en énergie électrique.

"Bien que les nanofils soient des nanostructures unidimensionnelles, certaines propriétés - telles que la piézoélectricité, la forme linéaire du couplage électromécanique - sont de nature tridimensionnelle, " a déclaré Espinosa. "Nous avons pensé que ces nanofils devraient montrer la piézoélectricité en 3D, et visant à obtenir toutes les constantes piézoélectriques des nanofils individuels, similaire au matériau en vrac.

Les résultats ont révélé que les nanofils de GaN individuels aussi petits que 60 nanomètres présentent un comportement piézoélectrique en 3D jusqu'à six fois supérieur à celui de leur homologue en vrac. Étant donné que la charge générée évolue linéairement avec les constantes piézoélectriques, cette découverte implique que les nanofils sont jusqu'à six fois plus efficaces pour convertir l'énergie mécanique en énergie électrique.

Pour obtenir les mesures, les chercheurs ont appliqué un champ électrique dans différentes directions dans un seul nanofil et mesuré de petits déplacements, souvent dans la plage du pico-mètre (10-12 m). Le groupe a conçu une méthode basée sur la microscopie à sonde à balayage exploitant la capacité de mesure de déplacement de haute précision d'un microscope à force atomique.

"Les mesures étaient très difficiles, puisque nous devions mesurer avec précision des déplacements 100 fois plus petits que la taille de l'atome d'hydrogène, " dit Majid Minary, stagiaire postdoctoral et auteur principal de l'étude.

Ces résultats sont passionnants surtout compte tenu de la récente démonstration de nanogénérateurs à base de nanofils de GaN, pour alimenter des nanodispositifs auto-alimentés.