Mudanças no nível do átomo nos nanofios oferecem vastas possibilidades para o aprimoramento das células solares e da luz LED. Os pesquisadores do NTNU descobriram que, ajustando uma pequena tensão em nanofios individuais, eles podem se tornar mais eficazes em LEDs e células solares.

Os pesquisadores da NTNU, Dheeraj Dasa e Helge Weman, em cooperação com a IBM, descobriram que o arsenieto de gálio pode ser ajustado com uma pequena tensão para funcionar com eficiência como um único diodo emissor de luz ou fotodetector. Isso é facilitado pela estrutura de cristal hexagonal especial, referido como wurtzite, que os pesquisadores da NTNU conseguiram crescer no laboratório MBE da NTNU. Os resultados foram publicados em Nature Communications esta semana.

Os últimos anos viram avanços significativos na pesquisa de nanofios e grafeno na NTNU. Em 2010, Professores Helge Weman, Bjørn-Ove Fimland e Ton van Helvoort e seu grupo acadêmico foram a público com suas primeiras descobertas inovadoras no campo.

Os pesquisadores, que se especializam no cultivo de nanofios, conseguiu controlar uma mudança na estrutura do cristal durante o crescimento do nanofio. Ao alterar a estrutura cristalina de uma substância, ou seja, mudar as posições dos átomos, a substância pode ganhar propriedades inteiramente novas. Os pesquisadores do NTNU descobriram como alterar a estrutura do cristal em nanofios feitos de arsenieto de gálio e outros semicondutores.

Com isso, a base foi lançada para células solares e LEDs mais eficientes.

"Nossa descoberta foi que podíamos manipular a estrutura, átomo por átomo. Fomos capazes de manipular os átomos e alterar a estrutura do cristal durante o crescimento dos nanofios. Isso abriu novas possibilidades. Estávamos entre os primeiros no mundo que conseguiram criar um novo material de arsenieto de gálio com uma estrutura de cristal diferente, "diz Helge Weman, do Departamento de Eletrônica e Telecomunicações.

Este processo também existe na natureza. Por exemplo, diamante e grafite - o último é usado como "chumbo" em lápis - são compostos pelos mesmos átomos de carbono. Mas suas estruturas cristalinas são diferentes.

E agora, os pesquisadores também podem alterar a estrutura dos nanofios no nível do átomo.

Grafeno, o supermaterial

A próxima grande notícia veio em 2012. Nesse ponto, os pesquisadores conseguiram fazer nanofios semicondutores crescerem no grafeno supermaterial. O grafeno é o material mais fino e forte já feito. Esta descoberta foi descrita como uma revolução no desenvolvimento de células solares e componentes de LED.

Hora extra, o grafeno pode substituir o silício como um componente em circuitos eletrônicos. Hoje, o silício é usado para a produção de eletrônicos e células solares. O grafeno conduz eletricidade 100 vezes mais rápido que o silício, e tem apenas um átomo de espessura, enquanto uma pastilha de silício é normalmente milhões de vezes mais espessa. O grafeno também será provavelmente mais barato do que o silício em apenas alguns anos.

O grupo de pesquisa tem recebido muita atenção internacional para o método do grafeno. Helge Weman e seus co-fundadores da NTNU, Bjørn-Ove Fimland e Dong-Chul Kim, fundaram a empresa CrayoNano AS, trabalhando com uma invenção patenteada que desenvolve nanofios semicondutores em grafeno. O método é chamado de epitaxia de feixe molecular (MBE), e o material híbrido tem boas propriedades elétricas e ópticas.

"Estamos mostrando como usar o grafeno para fazer produtos eletrônicos muito mais eficazes e flexíveis, inicialmente células solares e diodos emissores de luz branca (LED). O futuro reserva muitos aplicativos mais avançados, "diz Weman.

Células solares altamente eficazes

"Nosso objetivo é criar células solares que sejam mais eficazes do que quando feitas com tecnologia de filme fino, "Weman enfatiza.

Tecnologia de filme fino é um termo da tecnologia de célula solar. Esta tecnologia desenvolve painéis de células solares superfinos, onde a camada ativa que converte luz solar em eletricidade tem uma espessura de não mais do que três micrômetros, ou seja, três milhares de um milímetro. O baixo peso permite fácil transporte, instalação e manutenção das células solares, e podem, na prática, ser desenrolados como feltro de telhado na maioria dos edifícios.

Agora, a combinação de nanofios e grafeno facilita células solares muito mais amplas e flexíveis.

Em filmes finos como o arseneto de gálio, os átomos são colocados cubicamente em um fixo, estrutura predefinida. Quando os pesquisadores manipulam a estrutura do átomo dentro do nanofio, eles podem desenvolver estruturas cristalinas cúbicas e hexagonais. As diferentes estruturas têm propriedades completamente diferentes, por exemplo, quando se trata de propriedades ópticas.

Novas descobertas, novas possibilidades

Nos últimos anos, o grupo de pesquisa tem, entre outras coisas, estudou a estrutura cristalina hexagonal única nos nanofios de GaAs.

"Em cooperação com a IBM, agora descobrimos que se esticarmos esses nanofios, eles funcionam muito bem como diodos emissores de luz. Também, se pressionarmos os nanofios, eles funcionam muito bem como fotodetectores. Isso é facilitado pela estrutura de cristal hexagonal, chamado wurtzite. Isso torna mais fácil para nós mudar a estrutura para otimizar o efeito óptico para diferentes aplicações.

"Também nos dá uma compreensão muito melhor, permitindo-nos projetar os nanofios com um estresse de compressão embutido, por exemplo, para torná-los mais eficazes em uma célula solar. Isso pode, por exemplo, ser usado para desenvolver diferentes sensores de pressão, ou para colher energia elétrica quando os nanofios são dobrados, "Weman explica.

Por causa dessa nova capacidade de manipular a estrutura cristalina dos nanofios, é possível criar células solares altamente eficazes que produzem uma maior potência elétrica. Também, o fato de que CrayoNano agora pode desenvolver nanofios em superluz, grafeno forte e flexível, permite a produção de células solares muito flexíveis e leves.

O grupo CrayoNano também começará a cultivar nanofios de nitreto de gálio para uso em diodos emissores de luz branca.

"Um dos nossos objetivos é criar nanofios de nitreto de gálio em uma máquina MBE recém-instalada na NTNU para criar diodos emissores de luz com melhores propriedades ópticas - e cultivá-los em grafeno para torná-los flexíveis, leve e forte. "