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日本東京大學研發一種可產生電流的奈米管

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科技產業資訊室 - 陳品蓁 發表於 2019年6月26日

圖、日本東京大學研發一種可產生電流的奈米管

日本東京大學Yoshihiro Iwasa教授與國際物理學家團隊合作,發現了一種新型奈米管(nanotube),它在光的存在下可以產生電流。該奈米管的應用層面涵蓋了光學感測器或紅外線成像晶片之類的設備,未來,若擴大該技術,對自動駕駛系統和天文學領域,甚至是太陽能設備,亦都有所助益。此項研究於2019年6月發表於頂尖的自然期刊(Nature)。
 
這項新型的奈米管,是由二硫化鎢(WS2)製成的特殊半導體材料,當它被雷射光照射時,會因為光伏效應(photovoltaic effect)而產生電流。其實,不只有這樣的材料會有如此的效應,但與一般光伏材料不同的地方是,除非捲入管中,否則這個由WS2製成的片材在光存在下並不會產生電流。
 
以整個奈米管的製作來看,該奈米管先是利用化學生長的方式生成多層的WS2結構,並分散在二氧化矽的襯底上,然後從光學顯微鏡下分離出單一奈米管。接著透過化學氣相傳遞生長的方式形成單晶體的WS2,再使用膠帶機械將雙層及單層剝離開來,最後將薄片再次轉移到二氧化矽的襯底上。
 
奈米管的設計,包括局部類似單層的構造,也就是其中一個W原子被六個S原子包圍,形成一個三菱鏡。而構成多壁奈米管的構造,則有了極性,並表現出非中心對稱的性質。也就是因為這樣的特性,讓這樣的新型奈米管,並不依賴材料間的p-n結來獲得光伏效應,而是當暴露在光線下時,會在整個結構中產生電流,這稱為體光伏效應(bulk photovoltaic effect, BPVE)。
 
東京大學團隊的研究指出,BPVE在現有材料的效率並不高,但該團隊提出較低維度或較小間隙的半導體,效果會較好。該團隊也發現,當降低晶體的對稱性,而不僅僅是破壞其反向的對稱,也就是說,從二維單層結構改為具有極性的奈米管,將可以極大地增強BPVE,而且由此產生的光電流密度將會比其他BPVE材料大好幾個數量級。
 
研究結果又為奈米材料的未來提供了更多選擇,長遠來看,這項研究最終希望用來製造高效能的太陽能電池,但考慮到尺寸的限制,或許這項新的材料可以在其他領域獲得應用。(727字)
 
 
參考資料:
Photovoltaic nanotubes. Special nanotubes could improve solar power and imaging technology. University of Tokyo. June 20, 2019
Enhanced intrinsic photovoltaic effect in tungsten disulfide nanotubes. Nature. 19 June 2019


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