Organiska halvledare är mycket lovande kandidater som utgångsmaterial för tillverkning av billiga, stort område och flexibla elektroniska komponenter som transistorer, dioder och sensorer i en skala från mikro till nano. En förutsättning för framgång för att uppnå detta mål är förmågan att foga komponenter tillsammans med elektriskt ledande länkar - med andra ord, för att skapa en elektronisk krets. Europeiska forskare har utvecklat en ny metod som gör det möjligt för dem att skapa enkla nätverk av organiska nanotrådar.

När den spanske fysikern Angel Barranco återvände till Valencia efter en treårig forskningsperiod på Empa, han startade EU -projektet PHODYE med, bland andra, hans gamla Empa -kollegor. Målet är att utveckla mycket känsliga gassensorer, för övervakning av utsläpp från vägfordon, till exempel, eller för att ge laboratoriepersonal och gruvarbetare en tidig varning om förekomsten av giftiga ämnen. Sensorerna är baserade på fluorescerande tunna filmer som ändrar färg och fluorescerar vid kontakt med vissa gasmolekyler.

"Vi tänkte i form av en slags elektronisk nyckel för säkerhetsapplikationer, som bara skulle reagera på vissa optiska förhållanden, "förklarar Empa -fysikern Pierangelo Groening. Nödvändiga för detta är transparenta, starkt fluorescerande tunna filmer, så Groening och Barranco utvecklade en plasma-deponeringsprocess för att lagra fluorescerande färgmolekyler som metallo-proyphiner, perylener och ftalocyaniner omodifierade och vid höga koncentrationer i SiO ₂ eller TiO ₂ skikten.

Det blev snart uppenbart att om vissa gasmolekyler avsattes på färgämnespartiklar i de tunna filmerna, sedan fluorescerades dessa vid olika våglängder och den tunna filmen ändrade färg som ett resultat. Om olika färgämnen används kan gaser som är giftiga för människor detekteras vid mycket låga koncentrationer.

Dock, för många sensortillämpningar är det viktigt att svarstiden är så kort som möjligt, något som knappast är möjligt med kompakta plasmafärgskikt. Det är, å andra sidan, möjligt med lager som har en mycket porös struktur, liknar en tupplur på en matta i nanometer skala. Forskare hoppas kunna dra ytterligare fördelar av sådana lager eftersom de ökar det område på vilket gasmolekylerna som ska detekteras kan adsorbera, och också förkorta diffusionsavstånden, så att sensorn kan svara snabbare. Fysikern Ana Borras utvecklade därefter en ny vakuumavsättningsprocess för syntetisering av organiska nanotrådar.

Under tiden gjorde Empa -forskarna framsteg, lära sig att tillverka nanotrådar med mycket varierande egenskaper genom att på lämpligt sätt välja startmolekylen och de experimentella förhållandena. Nanotrådar av metallo-ftalocyaninmolekyler har diametrar på bara 10 till 50 nanometer och en längd på upp till 100 mikron. Det som är ovanligt och oväntat med den nya metoden är att genom att exakt kontrollera substrattemperaturen, molekylflöde och substratbehandling, de organiska nanotrådarna utvecklar en tidigare ouppnått, perfekt monokristallin struktur.

Direkt efter att de första studierna gjordes med elektronmikroskop var det klart för Groening att den nya processen inte bara kunde ge nanotrådar för gassensorerna utan också göra det möjligt att skapa komplexa "nanotråd elektriska kretsar" för elektroniska och optoelektroniska applikationer som solceller celler, transistorer och dioder. Detta beror på att de olika typerna av nanotrådar kan kombineras efter behov för att bilda nätverk med mycket olika egenskaper, som Groening och medarbetare rapporterar i den vetenskapliga tidskriften Avancerade material .

Tricket för att uppnå detta ligger i ett andra steg där nanotrådarna som växer på ytan "dekoreras" med silver-nanopartiklar genom en sputtbeläggningsprocess. Ett mål, i detta fall en bit av massivt silver, bombarderas med energiska joner, slår av silveratomer som kommer in i gasfasen och deponeras på nanotrådarna. I ett sista steg, Empa -teamet odlar nu fler nanotrådar som, tack vare silverpartiklarna, är i elektrisk kontakt med de ursprungliga ledningarna - grunden för en elektrisk krets på nanometerskalan.

De första elektriska konduktivitetsmätningarna, gjord med hjälp av ett fyrspetsigt skannertunnelmikroskop i ultrahögt vakuum, överträffade de mest optimistiska förväntningarna - materialet håller en ovanligt hög kvalitet. "Detta öppnar möjligheten att snart kunna tillverka organiska halvledarmaterial, "säger Groening självsäkert." Och det, för, med hjälp av en enkel och ekonomisk process. "Under tiden har forskarna framgångsrikt syntetiserat allt mer komplexa strukturer av nanotrådar, och lyckades koppla ihop dessa med en hel del skicklighet och en säker beröring.

Ta, till exempel, nanotrådar bestående av sektioner gjorda med olika utgångsmolekyler. Om dessa molekyler antingen bara kan transportera positiva eller negativa laddningar, då skapas en diod som gör att strömmen kan flöda i en riktning ensam. Groening spekulerar i att det är fullt möjligt att en dag komponenter för nanolektronik och nanofotonik kommer att tillverkas med denna teknik.