Avec les nouvelles technologies de plus en plus petites, nécessitant un plus grand soutien énergétique avec plus d'options, La recherche en physique de l'Université de Cincinnati pointe vers un nouveau potentiel électrique robuste utilisant des structures de nanofils quantiques.

Les minuscules fibres miracles peuvent conduire à des avancées dans la technologie électronique sensible, notamment les capteurs infrarouges optiques à détection de chaleur et les tests biomédicaux, qui peuvent tous s'adapter à l'intérieur de petits appareils électriques.

Soutenu par une batterie de subventions NSF, l'équipe de recherche UC a travaillé avec une équipe collaborative de physiciens, des ingénieurs en matériaux électroniques et des doctorants du monde entier – tout pour perfectionner la croissance et le développement des fibres de nanofils cristallins qui constituent l'épine dorsale de la nanotechnologie.

Mais pour appliquer pleinement cette technologie aux appareils modernes, Les chercheurs de l'UC examinent d'abord de près –– à un niveau fondamental –– comment l'énergie est distribuée et mesurée le long de nanofils à brins minces si petits que des milliers d'entre eux pourraient théoriquement tenir dans un cheveu humain.

« Maintenant que nous savons que la technologie peut être développée, nous devons comprendre exactement comment fonctionnent les processus électriques à l'intérieur des noyaux de nanofils, " disent Howard Jackson et Leigh Smith, professeurs de physique à l'Université de Cincinnati. "Après avoir finalement mis au point un processus standardisé pour la croissance et le développement de fibres de nanofils cristallins avec nos partenaires de l'Université nationale australienne de Canberra, nous avons pu aller plus loin.

"En utilisant une combinaison de matériaux comme l'arséniure d'indium et de gallium, nous pouvons développer des noyaux de nanofils minces avec des coques extérieures protectrices."

Même avec des masses incroyablement petites, il s'avère que les nanofils uniques ont des interactions d'orbite de spin inhabituellement grandes, qui, selon les chercheurs, peut très bien conduire l'électricité et peut aider à améliorer les détecteurs infrarouges à détection de chaleur pour les petits appareils militaires.

Jackson et Smith présentent ces résultats remarquables à la conférence de l'American Physical Society, à Baltimore, 16 mars titré, "Exploration de la dynamique et de la structure de bande dans les hétérostructures de nanofils GaAsSb et GaAsSb/InP dans l'infrarouge moyen."

PETIT MAIS PUISSANT

Les chercheurs affirment que le secret du succès de cet effort multi-collaboratif réside dans la combinaison des matériaux utilisés pour créer les nanofils. Initialement cultivé à l'Université nationale australienne de Canberra, les nanofils sont issus d'une combinaison de billes d'or fondu dispersées sur une surface particulière.

Comme le processus est chauffé à l'intérieur d'une chambre en utilisant des gaz d'arséniure d'indium et de gallium, de longues fibres de noyau microscopiquement minces poussent entre l'environnement de surface contrôlé.

D'autres combinaisons de matériaux sont alors introduites pour former une enveloppe externe faisant office de gaine autour de chaque âme, résultant en des hétérostructures semi-conductrices de nanofils quantiques toutes de taille uniforme, forme et comportement.

Une fois les fibres expédiées à travers le monde à Cincinnati, Jackson, Smith et leur équipe de doctorants sont alors en mesure d'utiliser des équipements sophistiqués pour mesurer les potentiels électriques et photovoltaïques de chaque fibre le long de sa surface.

Dans des recherches antérieures, l'équipe collaborative a découvert des problèmes extrinsèques et intrinsèques lorsque les noyaux de fibres n'avaient pas les coques extérieures en forme de gaine.

"Si nous n'avons pas cette gaine extérieure, les nanofils ont une durée de vie énergétique très courte, dit Jackson. "Quand on entoure le noyau de cette gaine, la durée de vie de l'énergie peut augmenter d'un ordre ou de deux ordres de grandeur (puissance en watts)."

Et tandis que l'arséniure de gallium seul est un semi-conducteur très courant, son écart énergétique est grand et dans le domaine visible, qui absorbe la lumière. Pour réussir à détecter la chaleur optique ou infrarouge, l'équipe affirme que l'utilisation de fibres d'arséniure d'indium et de gallium produit des écarts énergétiques plus petits qui peuvent être utilisés avec succès dans les dispositifs de détection optique.

"L'objectif de l'une de nos subventions d'équipement de recherche est de travailler avec la société locale L3 Cincinnati Electronics, qui fabrique des détecteurs infrarouges (petit gap) pour l'imagerie de vision nocturne pour des applications militaires, " dit Smith. " Les futures applications directes de ce type de technologie incluent également les dispositifs médicaux qui détectent la chaleur corporelle, ainsi que des capteurs à distance installés dans les iPhones qui peuvent être utilisés à des fins environnementales pour détecter et mesurer les pertes de chaleur dans les maisons."

Les chercheurs disent que cette nouvelle technologie de nanofils est particulièrement unique car elle peut transformer différents types de lumière en un signal électrique, et dans ce cas, il s'agit de transformer une lumière infrarouge en un signal électrique mesurable.

Smith explique qu'avec la géométrie des nanofils, vous pouvez avoir un axe long sur toute la longueur du fil, ce qui vous offre de nombreuses possibilités d'absorption lorsque la lumière baisse, mais alors vous avez aussi ce très petit diamètre.

"Lorsque les contacts sont intercalés de chaque côté, essentiellement alors les électrons dans les trous n'ont pas à voyager très loin avant d'être collectés, " dit Smith. " Donc, en principe, il peut devenir un détecteur plus efficace ainsi qu'une cellule solaire plus efficace. "

QUAND LA TAILLE COMPTE

"Quand on arrive à de très petites dimensions dans des nanofils de petit diamètre, mais font quelques microns de long, ces propriétés changent alors et peuvent montrer un quantum (nombre fini) de propriétés et devenir presque unidimensionnelles, " dit Jackson. " La physique change alors à mesure que vous changez ces tailles. "

Jackson et Smith ont découvert que les enveloppes externes ultra-minces du nanofil fonctionnaient mieux à des largeurs de quatre à huit nanomètres, qui est 25, 00 et 12, 500 fois plus petit respectivement, que le diamètre d'un cheveu humain.

Lorsqu'ils examinent les avantages globaux du travail avec des nanostructures microscopiques, les chercheurs voient un énorme potentiel de retour sur investissement pour sa capacité à emballer beaucoup plus d'efficacité énergétique dans de petits appareils avec un espace fini. Il se rapproche d'un gagnant-gagnant pour tout le monde, ils disent, surtout lorsque cette recherche entre dans l'étape suivante, le rapprochant du fonctionnement à l'intérieur des dispositifs de capteurs électroniques et optiques.

"Notre recherche fondamentale est encore à un pas d'une application directe de dispositif optique, " dit Jackson. " Mais vous pouvez clairement voir au fil du temps que cette recherche collaborative a eu un impact. "