Gli scienziati del Center for Functional Nanomaterials (CFN), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) presso il Brookhaven National Laboratory, hanno notevolmente migliorato la risposta del grafene alla luce attraverso nanostrutture simili a fili autoassemblanti che conducono elettricità. Il miglioramento potrebbe aprire la strada allo sviluppo di rilevatori a base di grafene in grado di rilevare rapidamente la luce a livelli molto bassi, come quelli trovati nell'imaging medico, rilevamento delle radiazioni, e applicazioni di sorveglianza.

Il grafene è un nanomateriale bidimensionale (2-D) con caratteristiche meccaniche insolite e utili, ottico, e proprietà elettroniche. È sia estremamente sottile che incredibilmente forte, rileva la luce di quasi tutti i colori, e conduce bene il calore e l'elettricità. Però, perché il grafene è fatto di fogli di carbonio dello spessore di un solo atomo, può assorbire solo una piccolissima quantità di luce in entrata (circa il due percento).

Un approccio per superare questo problema è combinare il grafene con forti materiali che assorbono la luce, come i composti organici che conducono elettricità. Gli scienziati hanno recentemente dimostrato una migliore fotorisposta posizionando film sottili (poche decine di nanometri) di uno di questi polimeri conduttivi, poli(3-esiltiofene), o P3HT, sopra un singolo strato di grafene.

Ora, gli scienziati CFN hanno migliorato la fotorisposta di un ulteriore 600 percento modificando la morfologia (struttura) del polimero. Invece di film sottili, hanno usato una rete di nanofili, nanostrutture molte volte più lunghe di quanto siano larghe, fatte dello stesso polimero e di spessore simile. La ricerca è descritta in un articolo pubblicato online il 12 ottobre in Fotonica ACS , una rivista dell'American Chemical Society (ACS).

"Abbiamo usato l'autoassemblaggio, un metodo molto semplice e riproducibile, per creare la rete di nanofili, " ha detto il primo autore Mingxing Li, ricercatore associato nel CFN Soft and Bio Nanomaterials Group. "Messa in una soluzione appropriata e agitata durante la notte, il polimero si formerà da solo in nanostrutture simili a fili. Abbiamo quindi eseguito lo spin-cast dei nanofili risultanti su dispositivi elettrici chiamati transistor ad effetto di campo (FET) in grafene".

Gli scienziati hanno fabbricato FET fatti di solo grafene, film sottili di grafene e P3HT, e nanofili di grafene e P3HT. Dopo aver controllato lo spessore e la struttura cristallina dei dispositivi FET mediante microscopia a forza atomica, spettroscopia Raman, e tecniche di diffusione dei raggi X, hanno misurato le loro proprietà elettriche indotte dalla luce (fotoreattività). Le loro misurazioni della corrente elettrica che scorre attraverso i FET sotto vari poteri di illuminazione della luce hanno rivelato che i FET a nanofili migliorano la fotorisposta del 600 percento rispetto ai FET a film sottile e del 3000 percento rispetto ai FET di solo grafene.

"Non ci aspettavamo di vedere un miglioramento così drammatico semplicemente cambiando la morfologia del polimero, " ha detto l'autore corrispondente Mircea Cotlet, uno scienziato dei materiali nel gruppo CFN Soft e Bio Nanomaterials.

Gli scienziati ritengono che ci siano due spiegazioni dietro le loro osservazioni.

"A una certa concentrazione di polimero, i nanofili hanno dimensioni paragonabili alla lunghezza d'onda della luce, " ha detto Li. "Questa somiglianza di dimensioni ha l'effetto di aumentare la diffusione e l'assorbimento della luce. Inoltre, la cristallizzazione delle molecole P3HT all'interno dei nanofili fornisce più portatori di carica per trasferire elettricità allo strato di grafene".

"In contrasto con i film sottili convenzionali in cui le catene polimeriche e i cristalli sono per lo più orientati in modo casuale, la dimensione su scala nanometrica dei fili costringe le catene polimeriche e i cristalli in un orientamento specifico, migliorando sia l'assorbimento della luce che il trasferimento di carica, " ha detto il co-autore Dmytro Nykyphanchuck, uno scienziato dei materiali nel gruppo CFN Soft e Bio Nanomaterials.

Gli scienziati hanno depositato un brevetto statunitense per il loro processo di fabbricazione, e sono entusiasti di esplorare le interazioni luce-materia in altri materiali 2-D, oltre a 0-D e 1-D.

"La plasmonica e la nanofotonica, lo studio della luce su scala nanometrica, sono aree di ricerca emergenti, "disse Colet, che all'inizio di quest'anno ha co-organizzato un workshop per le comunità di utenti del CFN e della National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - un'altra struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE a Brookhaven - per esplorare le frontiere in queste aree. "Le nanostrutture possono manipolare e controllare la luce su scala nanometrica in modi molto interessanti. Gli strumenti avanzati di nanofabbricazione e nanocaratterizzazione presso CFN e NSLS-II sono perfettamente adatti per creare e studiare materiali con proprietà optoelettroniche migliorate".