Bilkent Üniversitesi bünyesinde faaliyet gösteren Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezinde (UNAM) Prof. Dr. Mehmet Bayındır tarafından yürütülen araştırma düz nanotelleri bükerek kıvrımlı hale getirmenin teller tarafından yutulan ışık miktarını önemli oranda arttırdığını gösterdiler. Bu başarılı çalışma başta Reuters olmak üzere bir çok uluslararası yayın organı tarafından haber yapılarak büyük ilgi gördü. Avrupa Bilim Konseyi (ERC) tarafından desteklenen bu proje kapsamında geniş alana sahip nanoyapıların üretilmesi ve kritik uygulamalarda kullanılması hedeflenmektedir.
Nanoteller göreceli olarak yeni bir teknoloji ve birçok uygulama alanı yeni yeni keşfedilmekte. Silisyum gibi yarı iletken bir malzemeden yapıldığında, nanotellere çarpan fotonlar, kristal kafesteki elektronları temel durumundan uyararak, geriye pozitif yüklü boşluklar bırakır. Hem uyarılan elektronlar hem de bu boşluklar malzeme boyunca yer değiştirerek elektrik üretimini gerçekleştirir. Daha fazla ışık yakalayan teller, daha fazla elektrik üretirler. Güneş pilleri ve fotosensörler bu prensiple çalışmaktadır.
Araştırmanın yürütücüsü Prof. Dr. Mehmet Bayındır, nano ölçekli fotosensörler alanında önemli bir potansiyel olduğunu ve keşfettikleri yeni yapıyla daha verimli güç çıkışı sağlayacağını belirtiyor.
Prof. Dr. Bayındır ve Bilkent mezunu ve şu anda Massachusetts Insstitute of Technology’de doktora sonrası çalışmalarını yürütmekte olan Dr. Tural Khudiyev tipik bir nanotelin geometrisini değiştirerek önemli ölçüde verim artışının sağlanabileceğini farkettiler. Nanoteller genellikle uzun, ince ve düzdür. İnce olmaları ışık ile etkileşimlerinin sıradan malzemelerden farklı olmasını sağlıyor. Belli dalga boylarında gelen fotonlar, telin boyutuyla uyum sağlıyor ve rezonansa girerek telin içinde sıçramalar yapıyor. Bu olgu Mie rezonansı olarak isimlendiriliyor.
Dr. Khudiyev, Mie rezonanslarının özellikle nanoölçekte avantaj sağladığını belirtiyor. Bu rezonans 20. yüzyılın başlarında faaliyet gösteren Alman fizikçi Gustav Mie’ye ithafen isimlendirildi. Mie, küçük metal parçacıkların neden cam pencereleri parlatabildiğini gösteren denklemler oluşturmuştu. Mie rezonansları düz nanotellerde de oluşuyor ama Prof. Dr. Bayındır ve Dr. Khudiyev bu telleri heliks şeklinde bükerek bundan iki kat fazla yararlanılabileceğini buldular.
Dr. Khudiyev: “nanospring periyodu, Mie rezonans noktası ile uyuştuğunda ışıktan alınan enerjinin artmasına olanak veren bir durum sağlanıyor” dedi. Ayrıca, telleri yukarı doğru bükmek sayesinde boylarını kısaltarak, alandan %50 kazanç sağlanıyor. Geliştirilmiş ışık yakalama verimi sayesinde, nanoboyutta cihazların kendi kendilerine enerji sağlamaları için fırsat bulunmuş oluyor. Bu cihazlara örnek olarak toksik maddeleri veya bir köprünün yapısal bütünlüğünü takip edebilen sensörler örnek gösterilebilir.
“Nanospring şekli hem geniş spektrumda hem de bazı tasarlanmış tekil noktalarda yüksek güç çıkışı sağlıyor ve böylece gelişmiş nanosistemlerin tek bir nanospring fotovoltaik sistemle çalışmasını olanaklı kılıyor” dedi Dr. Khudiyev.
Prof. Dr. Mehmet Bayındır sonraki basamak olarak nanospring tabanlı fotosensör dizaynının ve bunun büyük-ölçekli gömülü fiber sistemlere entegre edilmesinin enteresan olabileceğini belirtiyor.
Grup şimdiden nanospring telleri hazırlamak için kolay bir yöntem geliştirdi. Öncelikle uzun nanotel dizileri fiber çekme yöntemiyle elde ediliyor ve sonrasında dizilerin kınrılması için uygun sıcaklığa gelene kadar ısıtılıyor. Nature grubu dergilerinden Scientific Reports’da yayınlanan bu teknik, yayların çapındaki değişiklikleri kontrol edebilmek ve sıkılığını ayarlayabilmek adına ufak farklılıklar gösterebiliyor.
Orjinal makale: Tural Khudiyev ve Mehmet Bayındır, “Nanosprings harvest light more efficiently” Applied Optics – Volume 54, issue 26, pp. 8018-8023 (2015).
