Ученые создали «наноцветы» для устройств хранения энергии и солнечных батарей

Источник: phys.org

Исследователи Университета Северной Каролины (США) представили необычную наноструктуру из сульфида германия (GeS). Она похожа на цветок гвоздики, лепестки которого имеют толщину всего 20-30 нм и длину около 100 мкм. Такие «наноцветы» из полупроводникового материала обладают огромной площадью поверхности в ограниченном объеме пространства. Это означает, что их использование позволит создать устройства хранения энергии и солнечные батареи нового поколения. Как поясняет соавтор исследования, доцент Линью Цао, «наноцветы» могут значительно увеличить емкость литий-ионных батарей, так как тонкая структура с большой поверхностью способна захватить больше ионов лития. Разработка будет полезной и для производства суперконденсаторов, которые так же используются в качестве накопителей энергии.

«Наноцветы» чем-то похожи на графит — они так же состоят из аккуратных листов. Но за счет их особого расположения и атомной структуры GeS «цвет» способны хорошо поглощать солнечную энергию и преобразовывать ее в полезную мощность. И, в отличие от многих современных материалов для производства солнечных батарей, GeS является относительно дешевым и нетоксичным. Для создания «цветов» порошок сульфида германия нагревается в печи, до тех пор, пока он не начнет испаряться. Затем пар выдувается в холодную зону установки, где GeS осаждается в виде отдельных листов толщиной 20 — 30 нм и длиной до 100 мкм. По мере добавления новых слоев, листы отодвигаются друг от друга, образуя цветочный узор, похожий на лепестки гвоздики или календулы. По словам г-на Цао, очень важно контролировать поток GeS пара. Необходимо время, чтобы материал осаждался слоями, а не объединялся в большие группы.

Кроме того, рост нанолистов подвержен сильному влиянию диффузии исходного материала через границу слоя газовых потоков. Диффузный пограничный слой лимитирует стадию роста нанолистов, поэтому размер нанолистов зависит от диффузионных потоков. Высокое качество структуры возможно только при режиме ограничения диффузии. Такая зависимость уникальна для нанолистов, и не наблюдается в случае получения осаждением из пара других наноматериалов (к примеру, нанопленок и нанопроволок). Ученые вывели простую модель для анализа динамики диффузии в экспериментах, отражающую соотношение диффузионного потока, парциального давления исходного материала, скорость потока газа — носителя и общее давление в установке синтеза. Г-н Цао полагает, что полученная аналитическая модель может служить надежным ориентиром в работах по синтезу халькогенидных нанолистов из других материалов.