Forskare från Center for Functional Nanomaterials (CFN) – en användarfacilitet för US Department of Energy (DOE) Office of Science vid Brookhaven National Laboratory – har dramatiskt förbättrat grafens reaktion på ljus genom självmonterande trådliknande nanostrukturer som leder elektricitet. Förbättringen kan bana väg för utvecklingen av grafenbaserade detektorer som snabbt kan känna av ljus på mycket låga nivåer, som de som finns i medicinsk bildbehandling, strålningsdetektering, och övervakningstillämpningar.

Grafen är ett tvådimensionellt (2D) nanomaterial med ovanliga och användbara mekaniska, optisk, och elektroniska egenskaper. Den är både extremt tunn och otroligt stark, upptäcker ljus av nästan vilken färg som helst, och leder värme och el bra. Dock, eftersom grafen är gjord av kol som bara är en atom tjock, den kan bara absorbera en mycket liten mängd inkommande ljus (cirka två procent).

Ett sätt att övervinna detta problem är att kombinera grafen med starka ljusabsorberande material, såsom organiska föreningar som leder elektricitet. Forskare visade nyligen en förbättrad fotorespons genom att placera tunna filmer (några tiotals nanometer) av en sådan ledande polymer, poly(3-hexyltiofen), eller P3HT, ovanpå ett enda lager grafen.

Nu, CFN-forskarna har förbättrat fotoresponsen med ytterligare 600 procent genom att ändra polymerens morfologi (struktur). Istället för tunna filmer, de använde ett nät av nanotrådar – nanostrukturer som är många gånger längre än de är breda – gjorda av samma polymer och liknande tjocklek. Forskningen beskrivs i en artikel publicerad online den 12 oktober ACS Fotonik , en tidskrift från American Chemical Society (ACS).

"Vi använde självmontering, en mycket enkel och reproducerbar metod, för att skapa nanotrådsnätet, " sa första författaren Mingxing Li, en forskarassistent i CFN Soft and Bio Nanomaterials Group. "Placerad i en lämplig lösning och omrörd över natten, polymeren kommer att formas till trådliknande nanostrukturer på egen hand. Vi snurrade sedan de resulterande nanotrådarna på elektriska enheter som kallas grafenfälteffekttransistorer (FET).

Forskarna tillverkade FET endast av grafen, grafen och P3HT tunna filmer, och grafen och P3HT nanotrådar. Efter att ha kontrollerat tjockleken och kristallstrukturen hos FET-enheterna genom atomkraftsmikroskopi, Raman spektroskopi, och röntgenspridningstekniker, de mätte deras ljusinducerade elektriska egenskaper (fotoresponsivitet). Deras mätningar av den elektriska strömmen som flödar genom FET:erna under olika ljusbelysningseffekter avslöjade att nanotråd-FET:erna förbättrar fotoresponsen med 600 procent jämfört med tunnfilms-FET:erna och 3000 procent jämfört med FET:er som endast innehåller grafen.

"Vi förväntade oss inte att se en så dramatisk förbättring bara genom att ändra polymerens morfologi, " sade medkorrespondent författare Mircea Cotlet, en materialvetare i CFN Soft and Bio Nanomaterials Group.

Forskarna tror att det finns två förklaringar bakom deras observationer.

"Vid en viss polymerkoncentration, nanotrådarna har dimensioner som är jämförbara med ljusets våglängd, ", sa Li. "Denna storlekslikhet har effekten av att öka ljusspridningen och absorptionen. Dessutom, Kristallisering av P3HT-molekyler i nanotrådarna ger fler laddningsbärare för att överföra elektricitet till grafenskiktet."

"I motsats till konventionella tunna filmer där polymerkedjor och kristaller mestadels är slumpmässigt orienterade, trådarnas nanoskaladimension tvingar polymerkedjorna och kristallerna till en specifik orientering, förbättrar både ljusabsorption och laddningsöverföring, " sa medförfattaren Dmytro Nykyphanchuck, en materialvetare i CFN Soft and Bio Nanomaterials Group.

Forskarna har lämnat in ett amerikanskt patent för sin tillverkningsprocess, och de är entusiastiska över att utforska ljus-materia-interaktioner i andra 2D- såväl som 0-D och 1-D-material.

"Plasmonik och nanofotonik - studiet av ljus på nanometerskala - är framväxande forskningsområden, sa Cotlet, som tidigare i år var med och organiserade en workshop för användargemenskaper av CFN och National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – en annan DOE Office of Science User Facility i Brookhaven – för att utforska gränser i dessa områden. "Nanostrukturer kan manipulera och kontrollera ljus i nanoskala på mycket intressanta sätt. De avancerade nanotillverknings- och nanokarakteriseringsverktygen vid CFN och NSLS-II är perfekt lämpade för att skapa och studera material med förbättrade optoelektroniska egenskaper."