I "nanofogli" bidimensionali costituiti da legami tra atomi di metallo e molecole organiche sono candidati attraenti per la conversione fotoelettrica, ma si corrode facilmente. In un nuovo studio, scienziati del Giappone e di Taiwan presentano un nuovo design di nanofoglio che utilizza ferro e benzene esatiolo che mostra una stabilità record all'esposizione all'aria per 60 giorni, segnalando le applicazioni optoelettroniche commerciali di questi materiali 2D in futuro.

Convertire efficacemente la luce in elettricità è stato uno degli obiettivi persistenti degli scienziati nel campo dell'optoelettronica. Mentre migliorare l'efficienza di conversione è una sfida, devono essere soddisfatti anche molti altri requisiti. Ad esempio, il materiale deve condurre bene l'elettricità, avere un breve tempo di risposta alle variazioni di input (intensità luminosa), e, più importante, essere stabile in caso di esposizione a lungo termine.

Ultimamente, gli scienziati sono rimasti affascinati dai "nanosheet di coordinamento" (CONASH), che sono nanomateriali ibridi organico-inorganici in cui le molecole organiche sono legate ad atomi di metallo in una rete 2D. L'interesse per i CONASH deriva principalmente dalla loro capacità di assorbire la luce a più intervalli di lunghezze d'onda e convertirli in elettroni con maggiore efficienza rispetto ad altri tipi di nanofogli. Questa impresa è stata osservata in un CONASH comprendente un atomo di zinco legato con una molecola di porfirina-dipirina. Sfortunatamente, il CONASH si è rapidamente corroso a causa della bassa stabilità delle molecole organiche negli elettroliti liquidi (un mezzo comunemente usato per la conduzione di corrente).

"Il problema della durabilità deve essere risolto per realizzare le applicazioni pratiche dei sistemi di conversione fotoelettrica basati su CONASH, " afferma il Prof. Hiroshi Nishihara della Tokyo University of Science (TUS), Giappone, che conduce ricerche su CONASH e ha cercato di risolvere il problema della stabilità di CONASH.

Ora, in un recente studio pubblicato su Scienze avanzate come risultato di una ricerca collaborativa tra National Institute for Materials Science (NIMS), Giappone e TUS, Il prof. Nishihara e i suoi colleghi, Dr. Hiroaki Maeda e Dr. Naoya Fukui di TUS, Dr. Ying-Chiao Wang e Dr. Kazuhito Tsukagoshi del NIMS, Sig. Chun-Hao Chiang e Prof. Chun-Wei Chen della National Taiwan University, Taiwan, e il dott. Chi-Ming Chang e il prof. Wen-Bin Jian della National Chiao-Tung University, Taiwan, hanno progettato un CONASH comprendente uno ione di ferro (Fe) legato a una molecola di benzene esatiolo (BHT) che ha dimostrato la massima stabilità sotto l'esposizione all'aria riportata finora. Il nuovo fotorivelatore a base di FeBHT CONASH può trattenere oltre il 94% della sua fotocorrente dopo 60 giorni di esposizione! Inoltre, il dispositivo non richiede alimentazione esterna.

Cosa ha reso possibile un'impresa del genere? In poche parole, gli scienziati hanno fatto alcune scelte intelligenti. in primo luogo, hanno optato per un'architettura completamente solida sostituendo l'elettrolita liquido con uno strato a stato solido di Spiro-OMeTAD, un materiale noto per essere un efficiente trasportatore di "buchi" (vacanze lasciate dagli elettroni). In secondo luogo, hanno sintetizzato la rete FeBHT da una reazione tra solfato di ferro ammonio e BHT, che ha compiuto due cose:una, la reazione è stata abbastanza lenta da mantenere il gruppo dello zolfo protetto dall'ossidazione, e due, ha aiutato la risultante rete FeBHT a diventare resistente all'ossidazione, come hanno confermato gli scienziati utilizzando i calcoli della teoria del funzionale della densità.

Inoltre, il FeBHT CONASH ha favorito un'elevata conducibilità elettrica, ha mostrato una fotorisposta migliorata con un'efficienza di conversione del 6% (la massima efficienza precedentemente riportata era del 2%), e un tempo di risposta <40 millisecondi per illuminazione con luce UV.

Con questi risultati, gli scienziati sono entusiasti delle prospettive di CONASH nelle applicazioni optoelettroniche commercializzate. "Le elevate prestazioni dei fotorivelatori basati su CONASH, insieme al fatto che sono autoalimentati, possono aprire la strada alle loro applicazioni pratiche come i sensori di ricezione della luce che possono essere utilizzati per applicazioni mobili e la registrazione della cronologia dell'esposizione alla luce degli oggetti , " dice entusiasta il Prof. Nishihara.