Tweedimensionale 'nanobladen' gemaakt van bindingen tussen metaalatomen en organische moleculen zijn aantrekkelijke kandidaten voor foto-elektrische conversie, maar raakt snel gecorrodeerd. In een nieuwe studie, wetenschappers uit Japan en Taiwan presenteren een nieuw nanobladontwerp met ijzer en benzeenhexathiol dat gedurende 60 dagen een recordstabiliteit vertoont tegen blootstelling aan lucht, signalering van de commerciële opto-elektronische toepassingen van deze 2D-materialen in de toekomst.

Het effectief omzetten van licht in elektriciteit is een van de hardnekkige doelen van wetenschappers op het gebied van opto-elektronica. Hoewel het verbeteren van de conversie-efficiëntie een uitdaging is, er moet ook aan een aantal andere vereisten worden voldaan. Bijvoorbeeld, het materiaal moet elektriciteit goed geleiden, een korte reactietijd hebben op veranderingen in input (lichtintensiteit), en, het belangrijkste, stabiel zijn bij langdurige blootstelling.

De laatste tijd, wetenschappers zijn gefascineerd door 'coördinatie nanosheets' (CONASH's), dat zijn organisch-anorganische hybride nanomaterialen waarin organische moleculen zijn gebonden aan metaalatomen in een 2D-netwerk. De interesse in CONASH's komt voornamelijk voort uit hun vermogen om licht op meerdere golflengtebereiken te absorberen en om te zetten in elektronen met een grotere efficiëntie dan andere soorten nanosheets. Deze prestatie werd waargenomen in een CONASH bestaande uit een zinkatoom gebonden aan een porfyrine-dipyrrine-molecuul. Helaas, de CONASH raakte snel gecorrodeerd vanwege de lage stabiliteit van organische moleculen in vloeibare elektrolyten (een medium dat vaak wordt gebruikt voor stroomgeleiding).

"Het duurzaamheidsprobleem moet worden opgelost om de praktische toepassingen van op CONASH gebaseerde foto-elektrische conversiesystemen te realiseren, " zegt prof. Hiroshi Nishihara van de Tokyo University of Science (TUS), Japan, die onderzoek doet naar CONASH en heeft geprobeerd het CONASH-stabiliteitsprobleem op te lossen.

Nutsvoorzieningen, in een recente studie gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap als resultaat van een gezamenlijk onderzoek tussen het National Institute for Materials Science (NIMS), Japan en TU, Prof. Nishihara en zijn collega's, Dr. Hiroaki Maeda en Dr. Naoya Fukui van TUS, Dr. Ying-Chiao Wang en Dr. Kazuhito Tsukagoshi van NIMS, Dhr. Chun-Hao Chiang en Prof. Chun-Wei Chen van de National Taiwan University, Taiwan, en Dr. Chi-Ming Chang en Prof. Wen-Bin Jian van de National Chiao-Tung University, Taiwan, hebben een CONASH ontworpen die bestaat uit een ijzer (Fe) ion gebonden aan een benzeenhexathiol (BHT) molecuul dat de hoogste stabiliteit heeft aangetoond onder blootstelling aan lucht die tot nu toe is gerapporteerd. De nieuwe op FeBHT CONASH gebaseerde fotodetector kan meer dan 94% van zijn fotostroom vasthouden na 60 dagen blootstelling! Bovendien, het apparaat heeft geen externe voedingsbron nodig.

Wat maakte zo'n prestatie mogelijk? Simpel gezegd, de wetenschappers maakten een aantal slimme keuzes. Ten eerste, ze gingen voor een volledig solide architectuur door de vloeibare elektrolyt te vervangen door een vaste stoflaag van Spiro-OMeTAD, een materiaal waarvan bekend is dat het een efficiënte transporteur is van "gaten" (vacatures achtergelaten door elektronen). Ten tweede, ze synthetiseerden het FeBHT-netwerk uit een reactie tussen ijzerammoniumsulfaat en BHT, die twee dingen heeft bereikt:een, de reactie was langzaam genoeg om de zwavelgroep te beschermen tegen oxidatie, en twee, het hielp het resulterende FeBHT-netwerk veerkrachtig te worden tegen oxidatie, zoals de wetenschappers bevestigden met behulp van berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie.

In aanvulling, de FeBHT CONASH was voorstander van een hoge elektrische geleidbaarheid, toonde een verbeterde fotorespons met een conversie-efficiëntie van 6% (de hoogste efficiëntie die eerder werd gerapporteerd was 2%), en een reactietijd <40 milliseconden voor UV-lichtverlichting.

Met deze resultaten, de wetenschappers zijn enthousiast over de vooruitzichten van CONASH in gecommercialiseerde opto-elektronische toepassingen. "De hoge prestaties van de op CONASH gebaseerde fotodetectoren in combinatie met het feit dat ze zelfaangedreven zijn, kunnen de weg vrijmaken voor hun praktische toepassingen, zoals in lichtontvangende sensoren die kunnen worden gebruikt voor mobiele toepassingen en het vastleggen van de lichtblootstellingsgeschiedenis van objecten , " zegt prof. Nishihara opgewonden.