Los nanotubos de doble pared tienen ventajas electro-ópticas
Un nanotubo podría ser genial para aplicaciones electrónicas, pero hay nuevas pruebas de que dos podrían ser los mejores.
Los teóricos de la Universidad de Rice han calculado los efectos flexoeléctricos en los nanotubos de carbono de doble pared. El potencial eléctrico (P) de los átomos a ambos lados de una lámina de grafeno (arriba) son idénticos, pero no cuando la lámina se curva en un nanotubo. Los nanotubos de doble pared (abajo) muestran efectos únicos al escalonar las bandas de los tubos interiores y exteriores.
Yakobson Research Group/Rice University
Los ingenieros de la Universidad de Rice ya sabían que el tamaño importa cuando se utilizan nanotubos de carbono de pared simple para sus propiedades eléctricas. Pero hasta ahora, nadie había estudiado cómo actúan los electrones cuando se enfrentan a la estructura de los tubos multipared como una muñeca rusa.
El teórico del laboratorio de materiales de Rice, Boris Yakobson, ha calculado ahora el impacto de la curvatura de los nanotubos de carbono de doble pared semiconductores en su voltaje flexoeléctrico, una medida del desequilibrio eléctrico entre las paredes internas y externas del nanotubo.
Esto afecta a lo adecuado que pueden ser los pares de nanotubos anidados para las aplicaciones de la nanoelectrónica, especialmente la fotovoltaica.
La investigación teórica del grupo de la Escuela de Ingeniería Brown de Yakobson aparece en la revista Nano Letters de la Sociedad Química Americana.
En un estudio de 2002, Yakobson y sus colegas de Rice habían revelado cómo la transferencia de carga, la diferencia entre los polos positivos y negativos que permite que exista voltaje entre uno y otro, se escala linealmente a la curvatura de la pared del nanotubo. El ancho del tubo dicta la curvatura, y el laboratorio encontró que cuanto más delgado es el nanotubo (y por lo tanto mayor es la curvatura), mayor es el voltaje potencial.
Cuando los átomos de carbono forman grafeno plano, la densidad de carga de los átomos a ambos lados del plano son idénticos, dijo Yakobson. Curvar la hoja de grafeno en un tubo rompe esa simetría, cambiando el equilibrio.
Eso crea un dipolo local flexoeléctrico en la dirección de, y proporcional a, la curvatura, según los investigadores, que señalaron que la flexoelectricidad del carbono 2D "es un efecto notable pero también bastante sutil".
Pero más de una pared complica enormemente el equilibrio, alterando la distribución de los electrones. En los nanotubos de doble pared, la curvatura de los tubos internos y externos difiere, dando a cada uno una brecha de banda distinta. Además, los modelos mostraron que el voltaje flexoeléctrico de la pared exterior desplaza el hueco de la banda de la pared interior, creando una alineación escalonada de la banda en el sistema anidado.
"La novedad es que el tubo insertado, el 'bebé' (en el interior) matryoshka tiene todos sus niveles de energía cuántica desplazados debido al voltaje creado por el nanotubo exterior", dijo Yakobson. La interacción de las diferentes curvaturas, dijo, causa una transición de la banda de transición a la banda escalonada que tiene lugar en un diámetro crítico estimado de unos 2,4 nanómetros.
"Esta es una enorme ventaja para las células solares, esencialmente un prerrequisito para separar las cargas positivas y negativas para crear una corriente", dijo Yakobson. "Cuando la luz es absorbida, un electrón siempre salta desde la parte superior de una banda de valencia ocupada (dejando un agujero 'plus' detrás) al estado más bajo de la banda de conductividad vacía.
"Pero en una configuración escalonada resulta que están en diferentes tubos o capas", dijo. "El 'más' y el 'menos' se separan entre los tubos y pueden fluir generando corriente en un circuito".
Los cálculos del equipo también mostraron que modificar las superficies de los nanotubos con átomos positivos o negativos podría crear "voltajes sustanciales de cualquier signo" hasta tres voltios. "Aunque la funcionalización podría perturbar fuertemente las propiedades electrónicas de los nanotubos, podría ser una forma muy poderosa de inducir voltaje para ciertas aplicaciones", escribieron los investigadores.
El equipo sugirió que sus hallazgos podrían aplicarse a otros tipos de nanotubos, incluyendo el nitruro de boro y el disulfuro de molibdeno, por sí solos o como híbridos con nanotubos de carbono.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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