211service.com
Nanotrådar leder fotoström
Kopieringsmaskiner, infraröda detektorer och optiska mottagare i fiberoptiska telekommunikationssystem är alla beroende av fotoledare - material som leder mer elektrisk ström när de utsätts för ljus. Tillverkade i nanometerskala kan fotoledare leda till en mängd små optoelektroniska enheter som potentiellt kan vara användbara i framtida generationer av nanoelektronik, kemiska sensorer och så småningom ge ledtrådar till tillverkningen av små solceller.
Nu japanska forskare, ledda av Takuzo Aida , en professor vid avdelningen för kemi och bioteknik vid University of Tokyo, har tillverkat en fotoledare av två olika organiska molekyler som självmonteras till långa, ihåliga nanorör. Nanotrådarna leder nästan ingen ström i mörker, men när de träffas av ljus leder de 10 000 gånger mer ström. Detta kan leda till billiga nanoenheter som självmonteras av en kemisk lösning.
För att göra en fotoledare är det viktigt att ha en koppling mellan två segregerade lager: ett som donerar laddning och ett annat som accepterar det. Tidigare tillverkade fotoledare har inte separata donator- och acceptorlager på nanometernivå, säger Aida. Den nya fotoledaren, som forskarna beskriver i veckans Vetenskap , är den första som tillhandahåller en donator-acceptor-heteroövergång i nanoskala och uppvisar en fotokonduktiv egenskap, säger Aida.
Forskarna skapar en lösning av två organiska molekyler, trinitrofluorenon (TNF) och hexabensokoronen (HBC), i ett lösningsmedel. När de exponerar den här lösningen för metanolångor vid 25 °C, sätts de organiska molekylerna ihop till 16 nanometer breda ihåliga rör. Nanorörens 3 nanometer tjocka väggar är gjorda av TNF-lager, som fungerar som det elektronaccepterande lagret, som laminerar det HBC-elektrondonerande lagret.
När forskarna placerar fotoledarna mellan elektroderna och lägger på en spänning flyter nästan ingen ström. Men när de belyses med ultraviolett eller synligt ljus leder nanotrådarna elektricitet. Den elektriska strömmen under belysning är fyra storleksordningar större än den i mörker, säger Aida. Ett så stort på/av-förhållande är mycket viktigt för optoelektroniska applikationer.
Just nu förändras nanotrådarnas ledningsförmåga som svar på ljus; de absorberar inte ljus för att generera elektrisk ström som solceller gör. Men den skiktade strukturen av nanorören fastställer en ritning för att omvandla ljus till elektricitet, eftersom gränssnittet mellan donator- och acceptorlagren kan ses som en p-n-övergång, grundenheten för en solcell, säger Frank Wurthner , en kemiprofessor vid universitetet i Wurzburg, i Tyskland.
Walter Smith , en fysiker involverad i nanoskala fotokonduktorforskning vid Haverford College, kallar det nya arbetet spännande eftersom det är det första exemplet på ett självmonterande system med en väldefinierad separation mellan donator- och acceptorskikt. Människor kan göra väldigt små solceller, men att kunna sätta ihop dem själv sänker förhoppningsvis tillverkningskostnaden, säger han. Självmontering ger också extraordinär precision på atomnivå i den relativa placeringen av komponenterna som länkar samman för att bilda en struktur.
En viktig fördel med de japanska forskarnas metod är att molekylerna spontant samlas när de utsätts för metanolångor. Det är viktigt att ha en extern signal som utlöser självmontering, säger Smith, för så småningom när vi försöker bygga mer komplexa system kan vi använda olika ledtrådar för att initiera självmontering av olika delar av systemet. De japanska forskarnas arbete, tillägger han, är ett stort steg mot att förstå den grundläggande vetenskapen om vad som driver självmontering.