Científicos del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias de la Oficina del Departamento de Energía de EE. UU. En el Laboratorio Nacional de Brookhaven, han mejorado drásticamente la respuesta del grafeno a la luz a través de nanoestructuras de autoensamblaje similares a cables que conducen la electricidad. La mejora podría allanar el camino para el desarrollo de detectores basados ​​en grafeno que puedan detectar rápidamente la luz a niveles muy bajos. como los que se encuentran en las imágenes médicas, detección de radiación, y aplicaciones de vigilancia.

El grafeno es un nanomaterial bidimensional (2-D) con una mecánica inusual y útil, óptico, y propiedades electrónicas. Es extremadamente delgado e increíblemente fuerte, detecta luz de casi cualquier color, y conduce bien el calor y la electricidad. Sin embargo, debido a que el grafeno está hecho de láminas de carbono de un solo átomo de espesor, solo puede absorber una cantidad muy pequeña de luz entrante (alrededor del dos por ciento).

Un enfoque para superar este problema es combinar el grafeno con materiales fuertes que absorben la luz, como los compuestos orgánicos que conducen la electricidad. Los científicos demostraron recientemente una fotorrespuesta mejorada colocando películas delgadas (unas pocas decenas de nanómetros) de uno de estos polímeros conductores, poli (3-hexiltiofeno), o P3HT, encima de una sola capa de grafeno.

Ahora, los científicos de CFN han mejorado la fotorrespuesta en un 600 por ciento adicional al cambiar la morfología (estructura) del polímero. En lugar de películas delgadas, utilizaron una malla de nanocables, nanoestructuras que son muchas veces más largas que anchas, hechas del mismo polímero y de espesor similar. La investigación se describe en un artículo publicado en línea el 12 de octubre en Fotónica ACS , una revista de la American Chemical Society (ACS).

"Usamos el autoensamblaje, un método muy simple y reproducible, para crear la malla de nanocables, "dijo el primer autor Mingxing Li, investigador asociado en CFN Soft and Bio Nanomaterials Group. "Colocado en una solución adecuada y agitado durante la noche, el polímero se convertirá por sí solo en nanoestructuras en forma de alambre. Luego, convertimos los nanocables resultantes en dispositivos eléctricos llamados transistores de efecto de campo de grafeno (FET) ".

Los científicos fabricaron FET hechos solo de grafeno, películas delgadas de grafeno y P3HT, y nanocables de grafeno y P3HT. Después de verificar el espesor y la estructura cristalina de los dispositivos FET mediante microscopía de fuerza atómica, Espectroscopía Raman, y técnicas de dispersión de rayos X, midieron sus propiedades eléctricas inducidas por la luz (fotorreactividad). Sus mediciones de la corriente eléctrica que fluye a través de los FET bajo varios poderes de iluminación de luz revelaron que los FET de nanocables mejoran la fotorrespuesta en un 600 por ciento en comparación con los FET de película delgada y en un 3000 por ciento en comparación con los FET de solo grafeno.

"No esperábamos ver una mejora tan espectacular con solo cambiar la morfología del polímero, "dijo el coautor correspondiente Mircea Cotlet, científico de materiales del grupo CFN Soft and Bio Nanomaterials.

Los científicos creen que hay dos explicaciones detrás de sus observaciones.

"A una determinada concentración de polímero, los nanocables tienen dimensiones comparables a la longitud de onda de la luz, ", dijo Li." Esta similitud de tamaño tiene el efecto de aumentar la dispersión y absorción de la luz. Además, la cristalización de moléculas de P3HT dentro de los nanocables proporciona más portadores de carga para transferir electricidad a la capa de grafeno ".

"A diferencia de las películas delgadas convencionales en las que las cadenas de polímeros y los cristales se orientan principalmente al azar, la dimensión a nanoescala de los cables fuerza a las cadenas de polímero y cristales a una orientación específica, mejorando tanto la absorción de luz como la transferencia de carga, "dijo el coautor Dmytro Nykyphanchuck, científico de materiales del grupo CFN Soft and Bio Nanomaterials.

Los científicos han presentado una patente estadounidense para su proceso de fabricación, y están entusiasmados de explorar las interacciones luz-materia en otros materiales 2-D, así como 0-D y 1-D.

"La plasmónica y la nanofotónica, el estudio de la luz a escala nanométrica, son áreas de investigación emergentes, "dijo Cotlet, quien a principios de este año coorganizó un taller para las comunidades de usuarios de CFN y National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) —otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias Científicas del DOE en Brookhaven— para explorar las fronteras en estas áreas. "Las nanoestructuras pueden manipular y controlar la luz a nanoescala de formas muy interesantes. Las herramientas avanzadas de nanofabricación y nanocaracterización del CFN y NSLS-II son perfectamente adecuadas para crear y estudiar materiales con propiedades optoeletrónicas mejoradas".