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Erkennen von Licht in einer anderen Dimension

Polymere Nanostrukturen, die länger als breit sind, machen Graphen zu einem besseren Lichtdetektor

14.11.2018

ACS Photonics, Oct. 12, 2018

Darstellung des Graphen-P3HT Nanodraht-Hybrid-Feldeffekttransistors. Das Platzieren des Nanodrahtgeflechts (rot) auf dem Graphen (violett) verbessert die Reaktion des Geräts auf Licht. Das Siliziumdioxid/Silizium (grau) Substrat oder die "Gate-Elektrode" steuert den Stromfluss zwischen Elektronenquelle und Drain (in diesem Fall Au oder Gold, Elektroden). Mit Hilfe der Elektronenstrahl-Lithographie strukturierten die Wissenschaftler das Gerät.

Wissenschaftler des Center for Functional Nanomaterials (CFN) haben die Reaktion von Graphen auf Licht durch selbst zusammengefügte drahtähnliche Nanostrukturen, die Strom leiten, dramatisch verbessert. Die Verbesserung könnte den Weg für die Entwicklung von graphenbasierten Detektoren ebnen, die Licht auf sehr niedrigen Niveaus schnell erfassen können, wie sie beispielsweise in der medizinischen Bildgebung, der Strahlungsdetektion und in Überwachungsanwendungen zu finden sind.

Graphen ist ein zweidimensionales (2-D) Nanomaterial mit ungewöhnlichen und nützlichen mechanischen, optischen und elektronischen Eigenschaften. Es ist sowohl extrem dünn als auch unglaublich stark, erkennt Licht von fast jeder Farbe und leitet Wärme und Strom gut. Da Graphen jedoch aus Kohlenstoffplatten besteht, die nur ein Atom dick sind, kann es nur eine sehr geringe Menge des einfallenden Lichts absorbieren (etwa zwei Prozent).

Ein Ansatz zur Überwindung dieses Problems ist die Kombination von Graphen mit stark lichtabsorbierenden Materialien, wie beispielsweise organischen Verbindungen, die Strom leiten. Wissenschaftler haben kürzlich eine verbesserte Photoreaktion nachgewiesen, indem sie dünne Schichten (einige Dutzend Nanometer) eines solchen leitfähigen Polymers, Poly(3-hexylthiophen) oder P3HT, auf eine einzige Schicht Graphen aufbringen.

Jetzt haben die CFN-Wissenschaftler die Photoreaktion um weitere 600 Prozent verbessert, indem sie die Morphologie (Struktur) des Polymers verändert haben. Anstelle von dünnen Schichten verwendeten sie ein Netz aus Nanodrähten - Nanostrukturen, die um ein Vielfaches länger sind, als sie aus dem gleichen Polymer und ähnlicher Dicke bestehen.

"Wir haben die Selbstorganisation, eine sehr einfache und reproduzierbare Methode, verwendet, um das Nanodrahtgewebe herzustellen", sagte der Erstautor Mingxing Li, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter in der CFN Soft and Bio Nanomaterials Group. "In eine geeignete Lösung gegeben und über Nacht gerührt, bildet sich das Polymer von selbst zu drahtartigen Nanostrukturen. Dann haben wir die resultierenden Nanodrähte auf elektrische Vorrichtungen gesponnen, die Graphen-Feldeffekttransistoren (FETs) genannt werden."

Die Wissenschaftler fertigten FETs nur aus Graphen, Graphen- und P3HT-Dünnschichten sowie Graphen- und P3HT-Nanodrähten. Nach der Überprüfung der Dicke und Kristallstruktur der FET-Geräte durch Rasterkraftmikroskopie, Raman-Spektroskopie und Röntgenstreutechnik haben sie ihre lichtinduzierten elektrischen Eigenschaften (Photoresponsivität) gemessen. Ihre Messungen des elektrischen Stroms, der durch die FETs bei verschiedenen Lichtbeleuchtungsleistungen fließt, zeigten, dass die Nanodraht-FETs die Photoreaktion um 600 Prozent im Vergleich zu den Dünnfilm-FETs und um 3000 Prozent im Vergleich zu den graphenbasierten FETs verbessern.

"Wir haben nicht erwartet, dass sich diese dramatische Verbesserung allein durch eine Änderung der Morphologie des Polymers ergeben würde", sagte die Co-Autorin Mircea Cotlet, Materialwissenschaftlerin in der CFN Soft and Bio Nanomaterials Group.

Die Wissenschaftler glauben, dass es zwei Erklärungen für ihre Beobachtungen gibt.

"Bei einer bestimmten Polymerkonzentration haben die Nanodrähte Abmessungen, die mit der Wellenlänge des Lichts vergleichbar sind", sagt Li. "Diese Größenähnlichkeit hat den Effekt, dass die Lichtstreuung und -absorption zunehmen. Darüber hinaus bietet die Kristallisation von P3HT-Molekülen innerhalb der Nanodrähte mehr Ladungsträger, um Strom auf die Graphenschicht zu übertragen."

"Im Gegensatz zu herkömmlichen dünnen Schichten, bei denen Polymerketten und Kristalle meist zufällig ausgerichtet sind, zwingt die nanoskalige Dimension der Drähte die Polymerketten und Kristalle in eine bestimmte Ausrichtung, wodurch sowohl die Lichtabsorption als auch die Ladungsübertragung verbessert werden", sagte Co-Autor Dmytro Nykyphanchuck, Materialwissenschaftler in der CFN Soft and Bio Nanomaterials Group.

Die Wissenschaftler haben ein US-Patent für ihren Herstellungsprozess angemeldet, und sie sind begeistert, Licht-Materie-Wechselwirkungen in anderen 2-D- sowie 0-D- und 1-D-Materialien zu erforschen.

" Plasmonik und Nanophotonik - die Untersuchung von Licht im Nanometerbereich - sind neue Forschungsgebiete", sagte Cotlet, der Anfang des Jahres einen Workshop für Anwendergemeinschaften des CFN und der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - einer weiteren DOE Office of Science User Facility in Brookhaven - mitorganisierte, um Grenzen in diesen Bereichen zu erkunden. "Nanostrukturen können Licht im Nanobereich auf sehr interessante Weise manipulieren und steuern. Die fortschrittlichen Nanofabrikations- und Nanocharakterisierungswerkzeuge am CFN und NSLS-II eignen sich hervorragend für die Herstellung und Untersuchung von Materialien mit verbesserten optoelektronischen Eigenschaften."

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