Tvådimensionella "nanoskivor" gjorda av bindningar mellan metallatomer och organiska molekyler är attraktiva kandidater för fotoelektrisk omvandling, men blir lätt korroderad. I en ny studie, forskare från Japan och Taiwan presenterar en ny design av nanoark med järn- och bensenhexatiol som uppvisar rekordstabilitet mot luftexponering i 60 dagar, signalerar de kommersiella optoelektroniska tillämpningarna av dessa 2D-material i framtiden.

Att effektivt omvandla ljus till elektricitet har varit ett av de ihärdiga målen för forskare inom optoelektronikområdet. Även om det är en utmaning att förbättra konverteringseffektiviteten, flera andra krav måste också uppfyllas. Till exempel, materialet måste leda elektricitet väl, har en kort svarstid på förändringar i ingången (ljusintensitet), och, viktigast, vara stabil under långvarig exponering.

Nyligen, forskare har fascinerats av "koordination nanosheets" (CONASHs), som är organiskt-oorganiskt hybridnanomaterial där organiska molekyler är bundna till metallatomer i ett 2D-nätverk. Intresset för CONASHs härrör främst från deras förmåga att absorbera ljus vid flera våglängdsområden och omvandla dem till elektroner med större effektivitet än andra typer av nanoark. Denna bedrift observerades i en CONASH innefattande en zinkatom bunden med en porfyrindipyrrinmolekyl. Tyvärr, CONASH blev snabbt korroderad på grund av den låga stabiliteten hos organiska molekyler i flytande elektrolyter (ett medium som vanligtvis används för strömledning).

"Frågan om hållbarhet måste lösas för att förverkliga de praktiska tillämpningarna av CONASH-baserade fotoelektriska omvandlingssystem, " säger Prof. Hiroshi Nishihara från Tokyo University of Science (TUS), Japan, som forskar om CONASH och har försökt lösa CONASH stabilitetsproblem.

Nu, i en nyligen publicerad studie Avancerad vetenskap som ett resultat av en forskningssamverkan mellan National Institute for Materials Science (NIMS), Japan och TUS, Prof. Nishihara och hans kollegor, Dr Hiroaki Maeda och Dr Naoya Fukui från TUS, Dr Ying-Chiao Wang och Dr Kazuhito Tsukagoshi från NIMS, Chun-Hao Chiang och professor Chun-Wei Chen från National Taiwan University, Taiwan, och Dr. Chi-Ming Chang och professor Wen-Bin Jian från National Chiao-Tung University, Taiwan, har designat en CONASH som består av en järn (Fe) jon bunden till en bensenhexatiol (BHT) molekyl som har visat den högsta stabiliteten under luftexponering som rapporterats hittills. Den nya FeBHT CONASH-baserade fotodetektorn kan behålla över 94 % av sin fotoström efter 60 dagars exponering! Dessutom, enheten kräver ingen extern strömkälla.

Vad gjorde en sådan bedrift möjlig? Enkelt uttryckt, forskarna gjorde några smarta val. För det första, de gick för en helt solid arkitektur genom att ersätta den flytande elektrolyten med ett solid-state skikt av Spiro-OMeTAD, ett material som är känt för att vara en effektiv transportör av "hål" (lediga platser kvar av elektroner). För det andra, de syntetiserade FeBHT -nätverket från en reaktion mellan järnammoniumsulfat och BHT, som åstadkom två saker:en, reaktionen var tillräckligt långsam för att hålla svavelgruppen skyddad från att oxideras, och två, det hjälpte det resulterande FeBHT-nätverket att bli motståndskraftigt mot oxidation, som forskarna bekräftade med hjälp av densitetsfunktionella teoriberäkningar.

Dessutom, FeBHT CONASH gynnade hög elektrisk ledningsförmåga, visade en förbättrad fotorespons med en omvandlingseffektivitet på 6 % (den högsta effektiviteten som tidigare rapporterats var 2 %), och en svarstid <40 millisekunder för UV-ljusbelysning.

Med dessa resultat, forskarna är glada över utsikterna för CONASH i kommersialiserade optoelektroniska applikationer. "Den höga prestandan hos de CONASH-baserade fotodetektorerna i kombination med det faktum att de är självförsörjande kan bana väg för deras praktiska applikationer som i ljusmottagande sensorer som kan användas för mobila applikationer och registrera objekts ljusexponeringshistorik. , säger Prof. Nishihara upprymt.