Wetenschappers van het Center for Functional Nanomaterials (CFN) - een Office of Science User Facility van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in het Brookhaven National Laboratory - hebben de reactie van grafeen op licht drastisch verbeterd door zelf-assemblerende draadachtige nanostructuren die elektriciteit geleiden. De verbetering zou de weg kunnen effenen voor de ontwikkeling van op grafeen gebaseerde detectoren die snel licht kunnen detecteren op zeer lage niveaus, zoals die gevonden worden in medische beeldvorming, stralingsdetectie, en bewakingstoepassingen.

Grafeen is een tweedimensionaal (2-D) nanomateriaal met ongebruikelijke en bruikbare mechanische, optisch, en elektronische eigenschappen. Het is zowel extreem dun als ongelooflijk sterk, detecteert licht van bijna elke kleur, en geleidt warmte en elektriciteit goed. Echter, omdat grafeen is gemaakt van koolstofplaten van slechts één atoom dik, het kan slechts een zeer kleine hoeveelheid invallend licht absorberen (ongeveer twee procent).

Een manier om dit probleem op te lossen is door grafeen te combineren met sterke lichtabsorberende materialen. zoals organische verbindingen die elektriciteit geleiden. Wetenschappers hebben onlangs een verbeterde fotorespons aangetoond door dunne films (enkele tientallen nanometers) van zo'n geleidend polymeer te plaatsen, poly(3-hexylthiofeen), of P3HT, bovenop een enkele laag grafeen.

Nutsvoorzieningen, de CFN-wetenschappers hebben de fotorespons met nog eens 600 procent verbeterd door de morfologie (structuur) van het polymeer te veranderen. In plaats van dunne films, ze gebruikten een netwerk van nanodraden - nanostructuren die vele malen langer zijn dan ze breed zijn - gemaakt van hetzelfde polymeer en vergelijkbare dikte. Het onderzoek wordt beschreven in een artikel dat op 12 oktober online is gepubliceerd ACS Fotonica , een tijdschrift van de American Chemical Society (ACS).

"We gebruikten zelfmontage, een zeer eenvoudige en reproduceerbare methode, om het nanodraadgaas te maken, " zei eerste auteur Mingxing Li, een onderzoeksmedewerker in de CFN Soft and Bio Nanomaterials Group. "Geplaatst in een geschikte oplossing en een nacht geroerd, het polymeer zal zich vanzelf tot draadachtige nanostructuren vormen. Vervolgens hebben we de resulterende nanodraden spingegoten op elektrische apparaten die grafeen-veldeffecttransistors (FET's) worden genoemd."

De wetenschappers maakten FET's die alleen van grafeen waren gemaakt, grafeen en P3HT dunne films, en grafeen en P3HT-nanodraden. Na controle van de dikte en kristalstructuur van de FET-apparaten door middel van atoomkrachtmicroscopie, Raman-spectroscopie, en röntgenverstrooiingstechnieken, ze maten hun door licht geïnduceerde elektrische eigenschappen (fotoresponsiviteit). Hun metingen van de elektrische stroom die door de FET's onder verschillende lichtbelichtingsvermogens vloeit, onthulden dat de nanodraad-FET's de fotorespons met 600 procent verbeteren in vergelijking met de dunne-film-FET's en 3000 procent in vergelijking met FET's met alleen grafeen.

"We hadden niet verwacht zo'n dramatische verbetering te zien door alleen de morfologie van het polymeer te veranderen, " zei co-corresponderende auteur Mircea Cotlet, een materiaalwetenschapper in de CFN Soft and Bio Nanomaterials Group.

De wetenschappers geloven dat er twee verklaringen achter hun waarnemingen zitten.

"Bij een bepaalde polymeerconcentratie, de nanodraden hebben afmetingen die vergelijkbaar zijn met de golflengte van licht, " zei Li. "Deze gelijkenis in grootte heeft het effect van toenemende lichtverstrooiing en absorptie. In aanvulling, kristallisatie van P3HT-moleculen in de nanodraden zorgt voor meer ladingsdragers om elektriciteit over te brengen naar de grafeenlaag."

"In tegenstelling tot conventionele dunne films waar polymeerketens en kristallen meestal willekeurig zijn georiënteerd, de nanoschaaldimensie van de draden dwingt de polymeerketens en kristallen in een specifieke oriëntatie, verbetering van zowel lichtabsorptie als ladingsoverdracht, " zei co-auteur Dmytro Nykyphanchuck, een materiaalwetenschapper in de CFN Soft and Bio Nanomaterials Group.

De wetenschappers hebben een Amerikaans patent aangevraagd voor hun fabricageproces, en ze zijn enthousiast om interacties tussen licht en materie in andere 2D-, evenals 0-D- en 1-D-materialen te onderzoeken.

"Plasmonica en nanofotonica - de studie van licht op nanometerschaal - zijn opkomende onderzoeksgebieden, " zei Cotlet, die eerder dit jaar samen een workshop organiseerde voor gebruikersgemeenschappen van de CFN en de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een andere DOE Office of Science User Facility in Brookhaven - om de grenzen in deze gebieden te verkennen. "Nanostructuren kunnen licht op nanoschaal op zeer interessante manieren manipuleren en regelen. De geavanceerde nanofabricage- en nanokarakteriseringstools bij de CFN en NSLS-II zijn perfect geschikt voor het maken en bestuderen van materialen met verbeterde opto-elektronische eigenschappen."