Registrerer lys i en anden dimension

Forskere fra Center for Functional Nanomaterials (CFN) - et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility ved Brookhaven National Laboratory - har dramatisk forbedret grafens reaktion på lys gennem selvsamlende ledningslignende nanostrukturer, der leder elektricitet. Forbedringen kan bane vejen for udviklingen af ​​grafen-baserede detektorer, der hurtigt kan registrere lys ved meget lave niveauer, såsom dem, der findes i medicinsk billedbehandling, strålingsdetektion, og overvågningsapplikationer.

Grafen er et todimensionelt (2-D) nanomateriale med usædvanlige og nyttige mekaniske, optisk, og elektroniske egenskaber. Den er både ekstrem tynd og utrolig stærk, registrerer lys af næsten enhver farve, og leder varme og elektricitet godt. Imidlertid, fordi grafen er lavet af plader af kulstof kun et atom tykt, den kan kun absorbere en meget lille mængde indkommende lys (ca. to procent).

En tilgang til at overvinde dette problem er at kombinere grafen med stærke lysabsorberende materialer, såsom organiske forbindelser, der leder elektricitet. Forskere påviste for nylig en forbedret fotorespons ved at placere tynde film (et par tiere nanometer) af en sådan ledende polymer, poly(3-hexylthiophen), eller P3HT, oven på et enkelt lag grafen.

Nu, CFN-forskerne har forbedret fotoresponsen med yderligere 600 procent ved at ændre polymerens morfologi (struktur). I stedet for tynde film, de brugte et net af nanotråde - nanostrukturer, der er mange gange længere, end de er brede - lavet af samme polymer og lignende tykkelse. Forskningen er beskrevet i en artikel publiceret online den 12. oktober i ACS Fotonik , et tidsskrift fra American Chemical Society (ACS).

"Vi brugte selvmontering, en meget enkel og reproducerbar metode, at skabe nanotrådsnettet, " sagde første forfatter Mingxing Li, en forskningsmedarbejder i CFN Soft and Bio Nanomaterials Group. "Anbragt i en passende opløsning og omrørt natten over, polymeren vil af sig selv danne trådlignende nanostrukturer. Vi spin-castede derefter de resulterende nanotråde på elektriske enheder kaldet grafenfelteffekttransistorer (FET'er)."

Forskerne fremstillede FET'er udelukkende af grafen, grafen og P3HT tynde film, og grafen og P3HT nanotråde. Efter at have kontrolleret tykkelsen og krystalstrukturen af ​​FET-enhederne gennem atomkraftmikroskopi, Raman spektroskopi, og røntgenspredningsteknikker, de målte deres lys-inducerede elektriske egenskaber (fotoresponsivitet). Deres målinger af den elektriske strøm, der strømmer gennem FET'erne under forskellige lysbelysningskræfter, afslørede, at nanowire-FET'erne forbedrer fotoresponsen med 600 procent sammenlignet med tyndfilm-FET'erne og 3000 procent sammenlignet med grafen-kun FET'er.

"Vi forventede ikke at se en så dramatisk forbedring blot ved at ændre polymerens morfologi, " sagde den korresponderende forfatter Mircea Cotlet, en materialeforsker i CFN Soft and Bio Nanomaterials Group.

Forskerne mener, at der er to forklaringer bag deres observationer.

"Ved en vis polymerkoncentration, nanotrådene har dimensioner, der kan sammenlignes med lysets bølgelængde, " sagde Li. "Denne størrelseslighed har den virkning at øge lysspredning og absorption. Ud over, krystallisation af P3HT-molekyler i nanotrådene giver flere ladningsbærere til at overføre elektricitet til grafenlaget."

"I modsætning til konventionelle tynde film, hvor polymerkæder og krystaller for det meste er tilfældigt orienteret, ledningernes nanoskaladimension tvinger polymerkæderne og krystallerne i en bestemt orientering, forbedrer både lysabsorption og ladningsoverførsel, " sagde medforfatter Dmytro Nykyphanchuck, en materialeforsker i CFN Soft and Bio Nanomaterials Group.

Forskerne har indgivet et amerikansk patent på deres fremstillingsproces, og de er begejstrede for at udforske lys-stof-interaktioner i andre 2-D- såvel som 0-D og 1-D-materialer.

"Plasmonik og nanofotonik - studiet af lys på nanometerskala - er nye forskningsområder, " sagde Cotlet, som tidligere i år var med til at organisere en workshop for brugerfællesskaber af CFN og National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - en anden DOE Office of Science brugerfacilitet i Brookhaven - for at udforske grænser i disse områder. "Nanostrukturer kan manipulere og kontrollere lys på nanoskala på meget interessante måder. De avancerede nanofabrikations- og nanokarakteriseringsværktøjer på CFN og NSLS-II er perfekt egnede til at skabe og studere materialer med forbedrede optoelektroniske egenskaber."