طبق محاسبات محققان دانشگاه نوتردام، هر نانولوله کربنی به ازای هر ۳۲ اتم کربن می‌تواند یک الکترون را گرفته و ذخیره کند. این الکترون ذخیره‌شده می‌تواند به‌آسانی و با افزودن یک رنگدانه آلی پذیرنده الکترون تخلیه شود. این توانایی، باعث افزایش شدید جریان و هدایت نوری سیستم‌های الکتریکی می‌شود.
بهینه‌سازی خواص الکتریکی نانولوله‌های کربنی
|
طبق محاسبات محققان دانشگاه نوتردام، هر نانولوله کربنی به ازای هر ۳۲ اتم کربن می‌تواند |
 |
| انتقال الکترون بین یک نانوذره نیمه‌هادی TiO2 و نانولوله‌کربنی که به‌دلیل حرکت این سیستم به‌سمت تعادل باری، اتفاق می‌افتد. |
| آنوسرن کونگ‌کاناند و پراشنت کامَت، محققان دانشگاه نوتردام، انتقال الکترون‌ها را از ذرات نیمه‌هادی به نانولوله‌های کربنی تک‌جداره، هنگامی که این سیستم کامپوزیتی به‌سمت تعادل باری حرکت می‌کرد، پایش کردند. این مطالعه برای طراحی نانولوله‌ها، به‌عنوان راهی برای هدایت بار الکتریکی و افزایش عملکرد فوتوالکتروشیمیایی برای کاربردهایی، از قبیل ادوات الکترونیکی و پیل‌های خورشیدی، مفید خواهد بود. کامت می‌گوید: «اگرچه خاصیت ذخیره الکترونی نانولوله‌های کربنی شناخته شده‌است، ولی هیچ روش ساده و مناسبی برای تخمین کمّی ظرفیت ذخیره‌سازی وجود ندارد. مطالعه ما روشی را برای اندازه‌گیری کمّی تعداد الکترون‌های ذخیره‌شده در نانولوله‌های کربنی و توانایی آنها در تخلیه این الکترون‌ها در موقع مناسب، ارائه می‌کند. علاوه‌براین، می‌توان از این اطلاعات برای تخمین سطح فرمی این کامپوزیت نانولوله کربنی – نیمه‌هادی، استفاده کرد. این پارامتر در ارزیابی عملکرد ادوات نانولوله‌ای برای کاربردهای فتوولتائیک و الکترونیکی مهم است. تحریک نانوذرات دی اکسید تیتانیوم به‌وسیله لیزر، باعث جداسازی بار در آنها می‌شود و تعدادی از الکترون‌های نیمه‌هادی را به دام می‌اندازد که تعداد آنها ۳۷۷۰ الکترون به ازای هر ۱۲ نانومتر طول نانوذره تخمین زده می‌شود. الکترون‌های به دام‌افتاده در دی اکسید تیتانیوم یک رنگ آبی را نشان می‌دهند (یک باند جذب ۶۵۰ نانومتری)، اما هنگامی که این محققان نانولوله‌های کربنی تک‌جداره را در داخل نانوذارت دی اکسید تیتانیوم وارد کردند، شدت رنگشان کاهش یافت؛ چون نانولوله‌های کربنی تک‌جداره هیچ جذب قابل آشکاری در محدوده نور مرئی ندارند، پس این کاهش شدت رنگ به این معنی است که بعضی از الکترون‌های به دام‌افتاده در دی اکسید تیتانیوم به نانولوله‌های کربنی تک‌جداره منتقل شده‌اند. این محققان توضیح می‌دهند: «این انتقال الکترون‌ها تعادل باری بین این دو سیستم نیمه‌هادی که دارای سطوح فرمی متفاوتی هستند، را نشان می‌دهد. در یک غلظت صد میلی‌گرم در لیتر از نانولوله‌های کربنی تک‌جداره، ما نابودی کامل باند جذب ۶۵۰ نانومتری را مشاهده کردیم، که این دلالت بر انتقال کامل الکترون‌ها به نانولوله‌های کربنی تک‌جداره داشت». انتقال کامل شامل یک الکترون به ازای هر ۳۲ اتم کربن بود که در فقط ده نانوثانیه اتفاق می‌افتاد. چنین ظرفیت الکترونی بالایی دلالت بر اَبَرخازن بودن نانولوله‌های کربنی تک‌جداره، دارد که این امر می‌تواند در کاربردهای الکترونیکی مفید باشد. کامت می‌گوید: «افزایش ذخیره الکترونی در یک حجم کم به‌وسیله نانولوله‌های کربنی، برای کوچک‌سازی باطری‌های ذخیره جذاب است. انتقال الکترون از نیمه‌هادی به نانولوله‌های کربنی تا به تعادل رسیدن انرژی‌های فرمی هر دو ماده، ادامه می‌یابد». به گفته کامت با انتخاب یک ذره نیمه‌هادی دیگر با یک باند هدایت منفی‌تر از باند هدایت دی‌اکسید تیتانیوم یا روش‌های باردهی جایگزین (از قبیل باردهی الکتروشیمیایی یا الکتریکی)، ممکن است بتوان الکترون‌های بیشتری را ذخیره کرد. هر چه سطح انرژی نیمه‌هادی بالاتر باشد، تعداد الکترون‌های بیشتری نیز انتقال می‌یابد. این محققان برای تخلیه این الکترون‌ها، تیونین (یک رنگدانه آلی که به‌عنوان پذیرنده الکترون عمل می‌کند) اضافه کردند. الکترون‌ها از نانولوله‌های کربنی تک‌جداره به تیونین انتقال یافتند. تیونین پتانسیل احیای مثبت‌تری از نانولوله‌های کربنی تک‌جداره دارد و الکترون‌ها برای رسیدن به تعادل بار از نانولوله‌ها به تیونین انتقال می‌یابند. توانایی نانولوله‌های کربنی تک‌جداره برای گرفتن الکترون و انتقال آنها به یک پذیرنده الکترون مناسب، نقش واسطه‌گری این نانولوله‌ها در یک فرآیند انتقال بار را برجسته می‌کند. این خاصیت گرفتن و رهاسازی الکترون به‌وسیله نانولوله‌های کربنی تک‌جداره نقش مهمی را در بهبود عملکرد کاربردهای جمع‌آوری انرژی نور، بازی خواهد کرد. این محققان نتایج کار خود را در مجله ACS Nano منتشر کرده‌اند. |
