de.wedoany.com-Bericht: Forscher der University of Arizona haben herausgefunden, dass Graphen-Nanobänder, die in Halbleiterbauelemente integriert und Gammastrahlung ausgesetzt werden, als fortschrittliche Strahlungssensoren für Fusionsreaktoren und Tiefseeweltraumanwendungen dienen können. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht.
Das Forschungsteam integrierte Graphen-Nanobänder (GNRs) in Halbleiterbauelemente und testete deren Reaktion auf Gammastrahlung. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass diese Nanobänder in extremen Umgebungen wie Fusionsreaktoren und Tiefseeweltraummissionen arbeiten können, während starke Strahlung bestehende Silizium-basierte Sensoren vor Herausforderungen stellt. Die Forscher wiesen darauf hin, dass eine genaue Überwachung der Materialdegradation dazu beiträgt, den zuverlässigen Betrieb kritischer Systeme in diesen Umgebungen aufrechtzuerhalten. Der leitende Forscher Zafer Mutlu, Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften der University of Arizona, erklärte, dass die Bauelemente nach Strahlungsexposition überlebten und reagierten, sich ihre elektrischen Eigenschaften jedoch signifikant veränderten.
Im Bereich der Fusionsenergie könnten GNR-basierte Sensoren dazu beitragen, saubere, nahezu unerschöpfliche Fusionsenergie zu entwickeln, indem sie die Art und Weise verbessern, wie Ingenieure den Zustand der ersten Wand von Kernreaktoren überwachen. Die erste Wand ist die innerste Barriere, die den überhitzten Brennstoff von der Reaktorstruktur trennt. Sie degradiert unter starker Strahlung allmählich und erfordert regelmäßige Inspektionen und Austausch. Derzeit können bestehende Silizium-basierte Sensoren nicht innerhalb der ersten Wand überleben, wenn Ingenieure diese Schäden verfolgen. Sie müssen außerhalb der Barriere platziert werden und sind auf indirekte Messungen sowie physische Inspektionen nach Abschaltungen angewiesen, was kostspielig und zeitaufwändig ist.
Gammastrahlungsexperimente zeigten, dass die atomare Struktur der Nanobänder intakt blieb, während gleichzeitig eine starke und messbare elektrische Reaktion erzeugt wurde. Diese Entdeckung deutet darauf hin, dass GNR-basierte Sensoren so konzipiert werden könnten, dass sie näher am Reaktorkern arbeiten als bestehende elektronische Geräte, wodurch Ausfallzeiten aufgrund von Inspektionen und Wartung reduziert und die Betriebszeit von Fusionskraftwerken erhöht werden.
Dies ist die erste Untersuchung der Reaktion von Graphen-Nanobändern auf Gammastrahlung. Zuvor wurden GNRs aufgrund ihrer mikroskopischen Größe und hervorragenden Haltbarkeit bereits umfassend erforscht, um die Chip-Technologie über die Grenzen von Silizium hinaus voranzutreiben. Vor einigen Jahren fügten Forscher des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des US-Energieministeriums Graphen zu technischem Kupfer hinzu und stellten fest, dass es den Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands des Metalls senkte, ohne die Leitfähigkeit bei Raumtemperatur zu beeinträchtigen. Graphen wurde auch gefunden, um die Leistung von Lithium-Ionen-Batterien zu verbessern, die Energiedichte zu erhöhen und die Zyklenfestigkeit zu stärken.
In der Studie der University of Arizona synthetisierte das von Mutlu geleitete Team die Nanobänder auf molekularer Ebene und bettete sie dann in gängige Halbleiterbauelemente ein. Sie verwendeten eine neuartige Fertigungstechnik, bei der die Nanobänder etwa neun Atome breit, ein Atom dick und etwa 45 Nanometer lang sind – zehntausendmal dünner als ein menschliches Haar. Mutlu erklärte, dass diese winzigen Nanobänder sich nach den Gesetzen der Quantenphysik und nicht der klassischen Physik verhalten. Ohne Strahlung fließt der Strom auf klare Weise durch die GNRs. Die Messungen der Forscher zeigten, dass Gammastrahlung, die durch die umgebende Luft dringt, reaktive Moleküle erzeugt, die die Kanten der Nanobänder verändern, ohne die Gesamtstruktur zu beeinträchtigen. Auf dieser Skala verstärken Quanteneffekte die Auswirkungen kleiner Veränderungen auf die Übertragung elektrischer Signale.
Die Forscher glauben, dass diese Veränderungen einen Quanteneffekt namens Anderson-Lokalisierung auslösen, der die Ladungsträger einfängt und den Strom drastisch reduziert, wodurch ein messbares Signal der Strahlungsexposition entsteht, das präzisere Daten für Wartungspläne von Reaktoren liefern kann.
Die Forscher der University of Arizona arbeiten mit Industriepartnern zusammen, um die Schlüsseltechnologie zu skalieren und Fusionsstrom ins Stromnetz einzuspeisen. Die Forscher glauben auch, dass GNR-Sensoren Gesundheitsdaten für Weltraumsysteme liefern können, darunter Kommunikationssatelliten, Erdbeobachtungssatelliten und Tiefseeweltraumsonden, um frühe strahlungsbedingte Verschleißerscheinungen vor dem Auftreten von Fehlern zu identifizieren, was für die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit kritischer Weltrauminfrastruktur von entscheidender Bedeutung ist.
Mutlu und seine Mitarbeiter planen, dieselben Bauelemente unter verschiedenen Strahlungsdosen zu testen und GNRs unterschiedlicher Größen zu untersuchen. Mutlu glaubt, dass die in der Studie verwendete Synthesemethode es den Forschern ermöglichen wird, Materialien auf atomarer und molekularer Ebene zu entwerfen und durch maßgeschneiderte neuartige Nanobänder unterschiedliche Empfindlichkeiten zu erreichen. Dieses Maß an Kontrolle ist für zukünftige Weltraumsysteme, die über lange Zeiträume unter kontinuierlicher Strahlungsexposition betrieben werden, von entscheidender Bedeutung, sowohl zur Unterstützung strahlungsresistenter Halbleiterchips als auch von Sensoren, die die Systemleistung im Laufe der Zeit verfolgen.
