افزایش خواص پیزوالکتریک نانوسیم‌ها

پژوهشگران نشان دادند که با کاهش قطر نانوسیم‌های اکسید روی و نیترید گالیم، خواص پیزوالکتریک آنها به‌شدت تغییر می‌کند؛ به‌طوری ضریب پیزوالکتریک آن می‌تواند تا ۱۰۰ برابر افزایش یابد.

پژوهشگران نشان دادند که با کاهش قطر نانوسیم‌های اکسید روی و نیترید گالیم، خواص
پیزوالکتریک آنها به‌شدت تغییر می‌کند؛ به‌طوری ضریب پیزوالکتریک آن می‌تواند تا
۱۰۰ برابر افزایش یابد.

در سال‌های اخیر از نانوساختارها در بخش‌های مختلفی استفاده شده‌است. لیزرهای ساخته‌شده
از نانوسیم‌های تک‌رشته‌ای، LEDها، رزوناتورها، نانوژنراتورها و ادوات الکترنیکی از
جمله بخش‌هایی است که از نانوساختارها بهره‌مند بوده‌اند. نیترید گالیم و اکسید روی
مواد پیزوالکتریکی‌ای هستند که در ادوات الکترونیک استفاده شده‌است، این مواد با
دریافت بار الکتریکی، تغییر شکل می‌دهند.

در مقاله‌ای که اخیراً هوراسی اسپینوسا و همکارانش از دانشگاه نورث‌وست در نشریه‌ی
Nano Letters چاپ کردند، نشان دادند که با کاهش قطر نانوسیم‌های اکسید روی و نیترید
گالیم، می‌توان خاصیت پیزوالکتریکی آنها را تا ۱۰۰ برابر افزایش داد. به گفته‌ی
اسپینوسا، این یافته بسیار شگفت‌انگیز است، زیرا می‌تواند منجر به ساخت حسگرها و
نانوژنراتورهای کوچک‌تر شده، خروجی و حساسیت آنها را افزایش دهد. این گروه تحقیقاتی
از روشی کامپیوتری به نام تئوری عاملی دانسیته (DFT) برای مدل‌سازی نانوسیم‌های
نیترید گالیم و اکسید روی با قطرهای ۰٫۶ تا ۲٫۴ نانومتر استفاده کردند. با استفاده
از این روش کامپیوتری می‌توان توزیع الکترونیکی نانوسیم‌ها را در حین تغییر شکلشان،
پیش‌بینی و ضرایب پیزوالکتریکی این مواد را محاسبه نمود. نتایج کار محققان نشان داد
که ضریب پیزوالکتریک در نانوسیم‌های با قطر ۲٫۴ نانومتر ۲۰ و ۱۰۰ برابر بیشتر از
نانوسیم‌ها اکسید روی و نیترید گالیوم است. این یافته، نتایج کار قبلی را که در آن
نانوساختارهای اکسید روی افزایش مشابهی در خواص پیزوالکتریک از خود نشان دادند،
تأیید می‌کند؛ البته تاکنون تحقیقی درباره‌ی تأثیر اندازه‌ی ساختار روی خواص
پیزوالکتریک نیترید گالیوم انجام نشده بود و این اولین تحقیق در این بخش محسوب می‌شود.

اسپینوسا می‌گوید:«محاسبات ما نشان می‌دهد افزایش ضریب پیزوالکتریکی، محصول توزیع
دوباره‌ی الکترون در سطح نانوسیم‌هاست که این موضوع منجر به افزایش پلاریزاسیون
وابسته به فشار در نانوسیم‌ها نسبت به مواد توده‌ای می‌شود».

یافته‌های این گروه تحقیقاتی اهمیت بسیاری در بخش تولید انرژی و دانش بنیادی دارد.
در بخش تولید انرژی، از قطعات پیزوالکتریک برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی
الکتریکی استفاده می‌شود که نتایج این پروژه منجر به کاهش اندازه‌ی قطعات
پیزوالکتریک تا حد نانومتری می‌شود. دستگاه‌هایی که به‌وسیله‌ی نانوسیم‌هایی با قطر
نانومتری ساخته می‌شوند، نسبت به قطعات توده، با صرف انرژی مکانیکی یکسان می‌توانند
انرژی الکتریکی بیشتری را تولید کنند.

از دیدگاه بنیادی، نتایج این تحقیق تأیید می‌کند که کاهش اندازه تا حد نانومتری
منجر به تغییر خواص گرمایی، الکتریکی و مکانیکی می‌شود که می‌توان تغییر این خواص
را تحت کنترل درآورد.