Låser op for effektiv lys-energikonvertering med stabile koordinationsnanoark

To-dimensionelle 'nanosheets' lavet af bindinger mellem metalatomer og organiske molekyler er attraktive kandidater til fotoelektrisk omdannelse, men bliver let tæret. I en ny undersøgelse, forskere fra Japan og Taiwan præsenterer et nyt nanosheet -design ved hjælp af jern og benzenhexathiol, der udviser rekordstabilitet for lufteksponering i 60 dage, signalerer de kommercielle optoelektroniske anvendelser af disse 2D-materialer i fremtiden.

Konvertering af lys til elektricitet effektivt har været et af de vedvarende mål for videnskabsmænd inden for optoelektronik. Selvom det er en udfordring at forbedre konverteringseffektiviteten, flere andre krav skal også være opfyldt. For eksempel, materialet skal lede elektricitet godt, har en kort responstid på ændringer i input (lysintensitet), og, mest vigtigt, være stabil under langvarig eksponering.

På det sidste, forskere har været fascineret af 'koordination nanosheets' (CONASHs), der er organisk-uorganiske hybrid-nanomaterialer, hvor organiske molekyler er bundet til metalatomer i et 2D-netværk. Interessen for CONASHs stammer hovedsageligt fra deres evne til at absorbere lys ved flere bølgelængdeområder og konvertere dem til elektroner med større effektivitet end andre typer nanoark. Denne bedrift blev observeret i en CONASH omfattende et zinkatom bundet til et porphyrin-dipyrrin-molekyle. Desværre, CONASH blev hurtigt tæret på grund af den lave stabilitet af organiske molekyler i flydende elektrolytter (et medium, der normalt bruges til strømledning).

"Problemet med holdbarhed skal løses for at realisere de praktiske anvendelser af CONASH-baserede fotoelektriske konverteringssystemer, " siger prof. Hiroshi Nishihara fra Tokyo University of Science (TUS), Japan, der forsker i CONASH og har forsøgt at løse CONASH stabilitetsproblemet.

Nu, i en nylig undersøgelse offentliggjort i Avanceret videnskab som et resultat af et samarbejde mellem National Institute for Materials Science (NIMS), Japan og TUS, Prof. Nishihara og hans kolleger, Dr. Hiroaki Maeda og Dr. Naoya Fukui fra TUS, Dr. Ying-Chiao Wang og Dr. Kazuhito Tsukagoshi fra NIMS, Chun-Hao Chiang og prof. Chun-Wei Chen fra National Taiwan University, Taiwan, og Dr. Chi-Ming Chang og Prof. Wen-Bin Jian fra National Chiao-Tung University, Taiwan, har designet en CONASH omfattende en jern (Fe) ion bundet til et benzen hexathiol (BHT) molekyle, der har vist den højeste stabilitet under lufteksponering rapporteret hidtil. Den nye FeBHT CONASH-baserede fotodetektor kan bevare over 94% af sin fotostrøm efter 60 dages eksponering! I øvrigt, enheden kræver ingen ekstern strømkilde.

Hvad gjorde sådan en bedrift mulig? Enkelt sagt, forskerne tog nogle smarte valg. For det første, de gik efter en helt solid arkitektur ved at erstatte den flydende elektrolyt med et solid-state lag af Spiro-OMeTAD, et materiale kendt for at være en effektiv transportør af "huller" (ledige stillinger efterladt af elektroner). For det andet de syntetiserede FeBHT -netværket fra en reaktion mellem jernammoniumsulfat og BHT, som udrettede to ting:en, reaktionen var langsom nok til at holde svovlgruppen beskyttet mod at blive oxideret, og to, det hjalp det resulterende FeBHT-netværk med at blive modstandsdygtigt over for oxidation, som forskerne bekræftede ved hjælp af tæthedsfunktionsteoretiske beregninger.

Ud over, FeBHT CONASH favoriserede høj elektrisk ledningsevne, viste en forbedret fotorespons med en konverteringseffektivitet på 6 % (den højeste effektivitet tidligere rapporteret var 2 %), og en responstid <40 millisekunder for UV-lysbelysning.

Med disse resultater, forskerne er begejstrede over udsigterne for CONASH i kommercialiserede optoelektroniske applikationer. "Den høje ydeevne af de CONASH-baserede fotodetektorer kombineret med det faktum, at de er selvforsynende, kan bane vejen for deres praktiske applikationer, såsom i lysmodtagende sensorer, der kan bruges til mobile applikationer og optagelse af lyseksponeringshistorien for objekter , " siger Prof. Nishihara begejstret.