(PhysOrg.com) -- I ett steg mot att konstruera allt mindre elektroniska enheter, forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory har satt ihop nanoskala parningar av partiklar som visar lovande som miniatyriserade kraftkällor. Består av ljusabsorberande, kolloidala kvantprickar kopplade till kolbaserade fullerennanopartiklar, dessa små tvåpartikelsystem kan omvandla ljus till elektricitet på ett exakt kontrollerat sätt.

"Detta är den första demonstrationen av en hybrid oorganisk/organisk, dimert (tvåpartikel) material som fungerar som ett elektrondonator-bro-acceptorsystem för att omvandla ljus till elektrisk ström, " sa Brookhaven fysikalisk kemist Mircea Cotlet, huvudförfattare till en artikel som beskriver dimererna och deras monteringsmetod i Angewandte Chemie .

Genom att variera längden på länkmolekylerna och storleken på kvantprickarna, forskarna kan kontrollera hastigheten och storleken på fluktuationer i ljusinducerad elektronöverföring på nivån för den individuella dimeren. "Denna kontroll gör dessa dimerer till lovande kraftgenererande enheter för molekylär elektronik eller mer effektiva solceller, sa Cotlet, som utförde denna forskning med materialforskaren Zhihua Xu vid Brookhavens Center for Functional Nanomaterials.

Forskare som vill utveckla molekylär elektronik har varit mycket intresserade av organiska donator-brygga-acceptorsystem eftersom de har ett brett utbud av laddningstransportmekanismer och eftersom deras laddningsöverföringsegenskaper kan kontrolleras genom att variera deras kemi. Nyligen, kvantprickar har kombinerats med elektronaccepterande material som färgämnen, fullerener, och titanoxid för att producera färgsensibiliserade och hybridsolceller i hopp om att de ljusabsorberande och storleksberoende emissionsegenskaperna hos kvantprickar skulle öka effektiviteten hos sådana enheter. Men hittills, effektomvandlingshastigheterna för dessa system har förblivit ganska låga.

"Ansträngningar att förstå de processer som är involverade för att konstruera förbättrade system har i allmänhet tittat på genomsnittligt beteende i blandade eller lager-för-lager-strukturer snarare än individens svar, välkontrollerade hybriddonator-acceptorarkitekturer, " sa Xu.

Precisionstillverkningsmetoden som utvecklats av Brookhaven-forskarna tillåter dem att noggrant kontrollera partikelstorlek och interpartikelavstånd så att de kan utforska förhållanden för ljusinducerad elektronöverföring mellan individuella kvantprickar och elektronaccepterande fullerener på singelmolekylnivå.

Hela monteringsprocessen sker på en yta och stegvis för att begränsa växelverkan mellan komponenterna (partiklarna), som annars skulle kunna kombineras på ett antal sätt om de sätts ihop med lösningsbaserade metoder. Denna ytbaserade montering uppnår också kontrollerade, en-till-en nanopartikelparning.

För att identifiera det optimala arkitektoniska arrangemanget för partiklarna, forskarna varierade strategiskt storleken på kvantprickarna - som absorberar och avger ljus med olika frekvenser beroende på deras storlek - och längden på bromolekylerna som förbinder nanopartiklarna. För varje arrangemang, de mätte elektronöverföringshastigheten med en molekylspektroskopi.

"Denna metod tar bort ensemblemedelvärde och avslöjar ett systems heterogenitet - till exempel fluktuerande elektronöverföringshastigheter - vilket är något som konventionella spektroskopiska metoder inte alltid kan göra, " sa Cotlet.

Forskarna fann att en minskning av kvantprickstorleken och längden på länkmolekylerna ledde till förbättringar i elektronöverföringshastigheten och undertryckande av fluktuationer i elektronöverföringen.

"Detta undertryckande av elektronöverföringsfluktuationer i dimerer med mindre kvantprickstorlek leder till en stabil laddningsgenereringshastighet, vilket kan ha en positiv inverkan på tillämpningen av dessa dimerer i molekylär elektronik, inklusive potentiellt i miniatyr och stora solceller, " sa Cotlet.

"Att studera laddningsseparations- och rekombinationsprocesserna i dessa förenklade och välkontrollerade dimerstrukturer hjälper oss att förstå de mer komplicerade foton-till-elektronomvandlingsprocesserna i solceller med stor yta, och så småningom förbättra sin solcellseffektivitet, " tillade Xu.

En amerikansk patentansökan är anhängig på metoden och materialen som är resultatet av användningen av tekniken, och tekniken är tillgänglig för licensiering.