Image au microscope électronique de nanofils cœur-coquille de wurtzite GaA/AIGaAs. Crédit :Dr Dheeraj Dasa et Prof. Helge Weman, NTNU
Les changements au niveau de l'atome dans les nanofils offrent de vastes possibilités d'amélioration des cellules solaires et de la lumière LED. Les chercheurs de NTNU ont découvert qu'en ajustant une petite contrainte sur des nanofils uniques, ils peuvent devenir plus efficaces dans les LED et les cellules solaires.
Les chercheurs de NTNU Dheeraj Dasa et Helge Weman ont, en collaboration avec IBM, découvert que l'arséniure de gallium peut être réglé avec une petite contrainte pour fonctionner efficacement comme une seule diode électroluminescente ou un photodétecteur. Ceci est facilité par la structure cristalline hexagonale spéciale, appelé wurtzite, que les chercheurs de NTNU ont réussi à développer dans le laboratoire MBE de NTNU. Les résultats ont été publiés dans Communication Nature cette semaine.
Les dernières années ont vu des percées importantes dans la recherche sur les nanofils et le graphène à NTNU. En 2010, Professeurs Helge Weman, Bjørn-Ove Fimland et Ton van Helvoort et leur groupe universitaire ont rendu public leurs premières découvertes révolutionnaires dans le domaine.
Les chercheurs, qui se spécialisent dans la culture de nanofils, avait réussi à contrôler un changement dans la structure cristalline au cours de la croissance des nanofils. En modifiant la structure cristalline d'une substance, c'est-à-dire changer la position des atomes, la substance peut acquérir des propriétés entièrement nouvelles. Les chercheurs de NTNU ont découvert comment modifier la structure cristalline des nanofils faits d'arséniure de gallium et d'autres semi-conducteurs.
Avec ça, les fondations ont été posées pour des cellules solaires et des LED plus efficaces.
"Notre découverte était que nous pouvions manipuler la structure, atome par atome. Nous avons pu manipuler les atomes et modifier la structure cristalline lors de la croissance des nanofils. Cela a ouvert de vastes nouvelles possibilités. Nous avons été parmi les premiers au monde à pouvoir créer un nouveau matériau d'arséniure de gallium avec une structure cristalline différente, ", explique Helge Weman du Département d'électronique et de télécommunications.
Ce processus existe aussi dans la nature. Par exemple, le diamant et le graphite - ce dernier est utilisé comme "plomb" dans les crayons - sont composés des mêmes atomes de carbone. Mais leurs structures cristallines sont différentes.
Et maintenant, les chercheurs peuvent également modifier la structure des nanofils au niveau de l'atome.
Graphène, le super-matériel
La prochaine grande nouvelle est arrivée en 2012. À ce moment-là, les chercheurs avaient réussi à faire croître des nanofils semi-conducteurs sur le super-matériau graphène. Le graphène est le matériau le plus fin et le plus résistant jamais fabriqué. Cette découverte a été décrite comme une révolution dans le développement des cellules solaires et des composants LED.
Heures supplémentaires, le graphène peut remplacer le silicium en tant que composant dans les circuits électroniques. Aujourd'hui, le silicium est utilisé pour produire à la fois de l'électronique et des cellules solaires. Le graphène conduit l'électricité 100 fois plus vite que le silicium, et n'a qu'un atome d'épaisseur, tandis qu'une plaquette de silicium est normalement des millions de fois plus épaisse. Le graphène sera également probablement moins cher que le silicium dans quelques années seulement.
Le groupe de recherche a reçu beaucoup d'attention internationale pour la méthode du graphène. Helge Weman et ses co-fondateurs de NTNU Bjørn-Ove Fimland et Dong-Chul Kim ont créé la société CrayoNano AS, travailler avec une invention brevetée qui fait pousser des nanofils semi-conducteurs sur du graphène. La méthode est appelée épitaxie par faisceau moléculaire (MBE), et le matériau hybride a de bonnes propriétés électriques et optiques.
"Nous montrons comment utiliser le graphène pour fabriquer des produits électroniques beaucoup plus efficaces et flexibles, initialement des cellules solaires et des diodes électroluminescentes blanches (LED). L'avenir réserve de nombreuses applications plus avancées, " dit Weman.
Cellules solaires très efficaces
"Notre objectif est de créer des cellules solaires plus efficaces que lorsqu'elles sont fabriquées avec la technologie des couches minces, ", souligne Weman.
La technologie des couches minces est un terme de la technologie des cellules solaires. Cette technologie développe des panneaux de cellules solaires ultra-minces, où la couche active convertissant la lumière du soleil en électricité a une épaisseur ne dépassant pas trois micromètres, c'est-à-dire trois milliers de millimètres. Le faible poids permet un transport facile, installation et maintenance des cellules solaires, et ils peuvent en pratique être déroulés comme le feutre de toiture sur la plupart des bâtiments.
Maintenant, la combinaison de nanofils et de graphène permet des cellules solaires beaucoup plus larges et plus flexibles.
Dans des films minces comme l'arséniure de gallium, les atomes sont placés cubiquement dans un fixe, structure prédéfinie. Lorsque les chercheurs manipulent la structure de l'atome à l'intérieur du nanofil, ils peuvent développer des structures cristallines cubiques et hexagonales. Les différentes structures ont des propriétés complètement différentes, par exemple en ce qui concerne les propriétés optiques.
Les chercheurs de NTNU, le Dr Dheeraj Dasa et le professeur Helge Weman, ont fait de nouvelles découvertes en modifiant la structure cristalline des nanofils. Ici, ils posent avec un modèle géant de la structure cristalline de la wurtzite. Crédit :Kai T. Dragland/NTNU
Nouvelles découvertes, nouvelles possibilités
Au cours des deux dernières années, le groupe de recherche a, entre autres, ont étudié la structure cristalline hexagonale unique des nanofils de GaAs.
"En coopération avec IBM, nous avons maintenant découvert que si nous étirons ces nanofils, elles fonctionnent assez bien comme diodes électroluminescentes. Aussi, si on presse les nanofils, ils fonctionnent assez bien comme photodétecteurs. Ceci est facilité par la structure cristalline hexagonale, appelé wurtzite. Cela nous permet de changer plus facilement la structure pour optimiser l'effet optique pour différentes applications.
"Cela nous permet également de mieux comprendre, nous permettant de concevoir les nanofils avec une contrainte de compression intégrée, par exemple pour les rendre plus efficaces dans une cellule solaire. Cela peut par exemple être utilisé pour développer différents capteurs de pression, ou pour récupérer de l'énergie électrique lorsque les nanofils sont pliés, ", explique Weman.
En raison de cette nouvelle capacité à manipuler la structure cristalline des nanofils, il est possible de créer des cellules solaires très efficaces qui produisent une puissance électrique plus élevée. Aussi, le fait que CrayoNano peut maintenant faire pousser des nanofils sur du super-léger, graphène fort et flexible, permet la production de cellules solaires très flexibles et légères.
Le groupe CrayoNano va maintenant également commencer à cultiver des nanofils de nitrure de gallium pour une utilisation dans des diodes électroluminescentes blanches.
"L'un de nos objectifs est de créer des nanofils de nitrure de gallium dans une machine MBE nouvellement installée à NTNU pour créer des diodes électroluminescentes avec de meilleures propriétés optiques - et de les faire croître sur du graphène pour les rendre flexibles, léger et solide."
