Pooljuhtivast galliumnitriidist nanojuhtmed on paljutõotavad materjalid järgmise põlvkonna nano- ja optoelektrooniliste süsteemide tarbeks. Hiljuti avastasid McCormicki Insenerikooli teadlased nanojuhtmete uusi piesoelektrilisi omadusi, mis võib neid muuta senisega võrreldes veelgi kasulikemaks materjalideks end energiaga ise varustavates nanoseadmetes.
Vaid 100 nanomeetrise läbimõõduga nanojuhtmeid peetakse tihti ühemõõtmelisteks. Uurijad Northwestern’i Ülikoolist teatasid aga hiljuti, et üksikud galliumnitriidist nanojuhtmed on kolmes mõõtmes piesoelektrilised, kirjutab Physorg.com.
Diagramm üksiku nanojuhtme pietsoelektrilisusest. Pilt: Horacio Espinosa
Galliumnitriid (GaN) on üks tehnoloogiliselt olulisemaid pooljuhtivaid aineid ning on tänapäeval üldlevinud optoelektroonilistes elementides, näiteks sinistes laserites ja valgust kiirgavates dioodides (ingl.k. light emitting diodes – LED). Hiljuti demonstreeriti GaN-il põhinevaid nanogeneraatoreid, mis on võimelised muutma mehaanilise energia, näiteks biomehaanilise liikumise, elektrienergiaks.
„Kuigi nanojuhtmed on ühemõõtmelised nanostruktuurid, on nende mõned omadused oma loomu poolest kolmemõõtmelised. Selliseks omaduseks on näiteks piesoelektrilisus – elektromehaanilise paardumise lineaarne vorm,“ sõnas Horacio Espinosa, ajakirjas Nano Letters avaldatud teadusartikli üks kaasautoritest. „Me arvasime, et nanojuhtmed demonstreerivad 3D piesoelektrilisust, ning püüdlesime mahuainega (“bulk”) sarnaselt üksikute nanojuhtmete kõikide piesoelektriliste konstantide leidmise poole.“
Uurimustöö tulemusel leiti, et vaid 60 nanomeetrise läbimõõduga GaN-ist nanojuhtmed käituvad piesoelektriliselt kolmes mõõtmes, ületades nendele mahu poolest vastavate, kuid mitte GaN-ist koosnevate juhtmete piesoelektrilisust kuni kuus korda. Kuna genereeritud elektrivool on piesoelektriliste konstantidega lineaarses skaalas, viitavad teadustöö tulemused, et GaN nanojuhtmed on kuni kuus korda tõhusamad mehaanilise energia elektrienergiaks muutmisel.
Mõõtmistulemuste saavutamiseks rakendasid teadlased üksikus nanojuhtmes elektrivälja erinevates suundades ja mõõtsid väikeseid nihkeid, tihti pikomeetri (10-12 meetrit) ulatuses. Uurijate meeskond kavandas meetodi, mis põhineb skaneerival teravikmikroskoopial, rakendades aatomjõumikroskoobi võimet mõõta nihkeid kõrge täpsusega.
„Mõõtmiste tegemine oli suur väljakutse, kuna me pidime täpselt mõõtma vesiniku aatomi suurusest sada korda väiksemaid nihkeid,“ väitis Majid Minary, üks uurimustöö kaasautoritest.
Teadusartikkel: „Individual GaN nanowires exhibit strong piezoelectricity in 3D“