Forskere ved NTNU har klart å kontrollere hvordan krystallstrukturen utvikles når nanotråder vokser.

Ved å endre krystallstrukturen i et stoff, det vil si stable om på atomene, kan man nemlig gi stoffet helt nye egenskaper.

Et kjent eksempel er grunnstoffet karbon – det kan bli til både blyantbly og til diamanter, avhengig av hvordan atomene er stablet.

NTNU-forskerne har nå greid å endre krystallstrukturen i nanotråder laget av galliumarsenid og andre halvledere. Dermed er grunnen lagt for en helt ny type solceller.

Solkraftverk underveis

Galliumarsenid brukes allerede i mobiltelefoner og annen trådløs elektronikk. Det brukes også til lasere i fiberoptisk kommunikasjon. Og til solceller.

– Galliumarsenid er det materialet som gir høyest effektivitet i solceller, altså produserer strøm best, sier professor Helge Weman ved Institutt for elektronikk og telekommunikasjon.

– Det er også et sentralt stoff i solcellepaneler på satellitter, og nå blir det en viktig del av solkraftverkene som er under oppbygging i solrike deler av verden, for eksempel Spania og California.

Dyrkes under gull og atomstråler

For å få en vag forståelse av hvor små solcelle-nanotrådene er, kan du se for deg trådene som en kjempebunt ukokt spagetti.

Flere tusen nanospagetti får plass på rekke i diameteren til et hårstrå. Skal vi fylle opp hele hårstråets tverrsnitt, vil det utgjøre millioner av nanospagetti.

Nanotrådene blir sådd omtrent som frø, og hver nanotråd vokser opp under en gullpartikkel. Under veksten bestemmes egenskapene som gir nanotråden dens framtidige funksjon.

Dyrkingen skjer under flere atomstråler, og i veldig høyt vakuum i et såkalt MBE-anlegg (Molecular Beam Epitaxy).

På atomnivå ser det ut som om vanlig galliumarsenid, med en krystallstruktur som ser ut som et rutenett. Men underveis forandres strukturen til et slags bikubemønster.

– Dette gir helt nye egenskaper knyttet til hvordan lyset absorberes inne i nanotråden, forteller Weman.

– Tidligere har man vist at nanotråder bare avgir eller absorberer lys i én polarisasjonsretning. Med den nye krystallstrukturen blir det mulig å samle energien fra solstrålenes ulike polarisasjonsretninger.

Krystalldesign og kvanteprikker

Med full kontroll på utviklingen av nanotrådenes krystallstruktur kan forskerne designe solceller som absorberer lyset akkurat slik de ønsker det, forteller professor Weman.

– Vi samler lyset ved de optimale bølgelengdene. Da får vi med oss mer energi fra lyset, og det gjør også at det nesten ikke slippes noe lys ut igjen.

– Det blir ikke lenger behov for antireflekslaget som vanlige solceller har. Da slipper vi også et fordyrende ledd i solcelleproduksjonen.

Weman og kollegene kontrollerer veksten av nanotrådene, og kan fylle dem med forskjellige atomer de ønsker å få inn i strukturen.

– Dette gir oss kontroll over hvor vi ønsker å sette inn for eksempel kvanteprikker, sier professoren.

– Det kan blant annet kan øke effektiviteten av strømproduksjon fra disse nanotrådene, når de brukes som solceller.

– Med høyere effektivitet og mye mindre materiale kan det i framtiden konkurrere med elektrisitet fra kull og gass. Det er selvsagt bra for økonomien, og for miljøet.

Framtiden henger i en tynn tråd

Richard Feynmans berømte foredrag i 1959, ”There’s Plenty of Room at the Bottom”, markerte begynnelsen på nanovitenskapen.

Siden den gang har forskere arbeidet med å lage stadig mindre og stadig mer avanserte funksjonelle enheter som er så små at de i praksis er usynlige.

Allerede i de første årene ble det lansert forslag om ’svelgbare kirurger’, legeroboter som kunne gjøre inngrep innenfra, men var på størrelse med noen sandkorn.

Nå har nanovitenskapen snart kommet dit, og stadig flere funksjonelle nanoprodukter tas i bruk. Mange av disse nanoproduktene lages av nanorør, eller nanotråder.

Med dette gjennombruddet i dyrking av nanotråder ser Weman for seg at framtiden er tynne tråder på mange bruksområder

– Vi har holdt på lenge, men har bare så vidt begynt, sier han.

– Nanotrådene kan brukes i veldig mange former for elektronikk og sensorer. I framtiden vil mennesker antagelig ha helsesensorer inne i seg som trådløst overfører tilstandsmålinger til eksterne enheter. Blodsukker og insulinmålinger, for eksempel.

– Vi nærmer oss svelgbare minikirurger, og kanskje kan nanotråder erstatte ødelagte nervetråder.

– Det er i den lille verdenen de store framskrittene skjer nå, sier Weman.

Referanse

Engineering Parallel and Perpendicular Polarized Photoluminescence from a Single Semiconductor Nanowire by Crystal Phase Control, Nano Letters; 6. juli 2010; doi: 10.1021/nl101087e.