Organische halfgeleiders zijn veelbelovende kandidaten als uitgangsmateriaal voor de vervaardiging van goedkope, grote oppervlakte en flexibele elektronische componenten zoals transistors, diodes en sensoren op een schaal van micro tot nano. Een voorwaarde voor succes bij het bereiken van dit doel is de mogelijkheid om componenten samen te voegen met elektrisch geleidende verbindingen - met andere woorden, om een ​​elektronische schakeling te maken. Europese wetenschappers hebben een nieuwe methode ontwikkeld waarmee ze eenvoudige netwerken van organische nanodraden kunnen maken.

Toen de Spaanse natuurkundige Angel Barranco terugkeerde naar Valencia na een onderzoeksstage van drie jaar bij Empa, hij initieerde het EU-project PHODYE met, onder andere, zijn oude Empa-collega's. Het doel is om zeer gevoelige gassensoren te ontwikkelen, voor het monitoren van emissies van wegvoertuigen, bijvoorbeeld, of om laboratoriumpersoneel en mijnwerkers vroegtijdig te waarschuwen voor de aanwezigheid van giftige stoffen. De sensoren zijn gebaseerd op fluorescerende dunne films die van kleur veranderen en fluoresceren bij contact met bepaalde gasmoleculen.

"We dachten in termen van een soort elektronische sleutel voor beveiligingstoepassingen, die alleen zou reageren op bepaalde optische omstandigheden, " legt Empa-fysicus Pierangelo Groening uit. Hiervoor zijn transparante, sterk fluorescerende dunne films, daarom ontwikkelden Groening en Barranco een plasma-afzettingsproces om fluorescerende kleurstofmoleculen zoals metallo-proyfinen op te slaan, perylenen en ftalocyanines ongewijzigd en in hoge concentraties in SiO ₂ of TiO ₂ lagen.

Al snel werd duidelijk dat als bepaalde gasmoleculen zich afzetten op kleurstofdeeltjes in de dunne films, deze fluoresceerden vervolgens bij verschillende golflengten en de dunne film veranderde daardoor van kleur. Als verschillende kleurstoffen worden gebruikt, kunnen de gassen die giftig zijn voor de mens in zeer lage concentraties worden gedetecteerd.

Echter, voor veel sensortoepassingen is het belangrijk dat de reactietijd zo kort mogelijk is, iets wat met compacte plasma kleurstoflagen nauwelijks mogelijk is. Het is, anderzijds, mogelijk met lagen die een zeer poreuze structuur hebben, lijkt op het dutje van een tapijt op nanometerschaal. Wetenschappers hopen verder voordeel te halen uit dergelijke lagen omdat ze het gebied vergroten waarop de te detecteren gasmoleculen kunnen adsorberen, en ook de diffusieafstanden verkorten, waardoor de sensor sneller kan reageren. Natuurkundige Ana Borras ontwikkelde daarop een nieuw vacuümdepositieproces voor het synthetiseren van organische nanodraden.

Ondertussen boekten de Empa-onderzoekers vooruitgang, leren hoe nanodraden te vervaardigen met zeer uiteenlopende eigenschappen door de juiste keuze van het startmolecuul en de experimentele omstandigheden. Nanodraden van metalloftalocyanine-moleculen hebben een diameter van slechts 10 tot 50 nanometer en een lengte tot 100 micron. Het ongebruikelijke en onverwachte aan de nieuwe methode is dat door de temperatuur van het substraat exact te regelen, molecuulstroom en substraatbehandeling, de organische nanodraden ontwikkelen een voorheen onbereikte, perfect monokristallijne structuur.

Onmiddellijk nadat de eerste studies met de elektronenmicroscoop waren uitgevoerd, was het Groening duidelijk dat het nieuwe proces niet alleen nanodraden voor de gassensoren zou kunnen opleveren, maar het ook mogelijk zou maken om complexe "nanowire-elektrische circuits" te creëren voor elektronische en opto-elektronische toepassingen zoals zonne-energie. cellen, transistoren en diodes. Dit komt omdat de verschillende soorten nanodraden naar behoefte kunnen worden gecombineerd om netwerken te vormen met sterk uiteenlopende eigenschappen, zoals Groening en collega's melden in het wetenschappelijke tijdschrift Geavanceerde materialen .

De truc om dit te bereiken ligt in een tweede stap waarin de nanodraden die aan het oppervlak groeien, worden "versierd" met zilveren nanodeeltjes door een sputter-coatingproces. Een doel, in dit geval een stuk massief zilver, wordt gebombardeerd met energetische ionen, het afstoten van zilveratomen die in de gasfase komen en op de nanodraden worden afgezet. In een laatste stap, het Empa-team kweekt nu meer nanodraden die, dankzij de zilverdeeltjes, zijn in elektrisch contact met de originele draden - de basis van een elektrisch circuit op nanometerschaal.

De eerste elektrische geleidbaarheidsmetingen, gemaakt met behulp van een vierpunts scanning tunnelmicroscoop in ultrahoog vacuüm, overtrof de meest optimistische verwachtingen - het materiaal is van een ongewoon hoge kwaliteit. "Dit opent de mogelijkheid om binnenkort organische halfgeleidermaterialen te produceren, " zegt Groening zelfverzekerd. "En dat, te, met behulp van een eenvoudig en economisch proces." Intussen hebben de onderzoekers met succes steeds complexere structuren van nanodraden gesynthetiseerd, en slaagde erin deze met veel vaardigheid en een zekere aanraking aan elkaar te koppelen.

Nemen, bijvoorbeeld, nanodraden bestaande uit secties gemaakt met verschillende startmoleculen. Als deze moleculen alleen positieve of alleen negatieve ladingen kunnen transporteren, dan wordt een diode gemaakt die ervoor zorgt dat de stroom alleen in één richting kan stromen. Groening speculeert dat het heel goed mogelijk is dat er ooit componenten voor nano-elektronica en nanofotonica zullen worden gemaakt met deze techniek.