來(lái)自功能納米材料中心(CFN)的科學(xué)家 - 美國(guó)能源部(DOE)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)用戶(hù)設(shè)施辦公室 - 通過(guò)自組裝的線(xiàn)狀納米結(jié)構(gòu)顯著改善了石墨烯對(duì)光的響應(yīng)電力。這種改進(jìn)可以為石墨烯探測(cè)器的開(kāi)發(fā)鋪平道路，這種探測(cè)器能夠快速感知極低水平的光，例如醫(yī)學(xué)成像，輻射探測(cè)和監(jiān)視應(yīng)用中的光。

石墨烯是一種二維(2-D)納米材料，具有不尋常和有用的機(jī)械，光學(xué)和電子特性。它既極薄又極其堅(jiān)固，能夠檢測(cè)出幾乎任何顏色的光線(xiàn)，并能很好地傳導(dǎo)熱量和電力。然而，由于石墨烯僅由一片碳原子制成，因此它只能吸收非常少量的入射光(約2%)。

克服該問(wèn)題的一種方法是將石墨烯與強(qiáng)光吸收材料(例如導(dǎo)電的有機(jī)化合物)結(jié)合。科學(xué)家最近通過(guò)在單層石墨烯上放置一種這樣的導(dǎo)電聚合物(聚(3-己基噻吩)或P3HT)的薄膜(幾十納米)來(lái)證明改善了光響應(yīng)。

現(xiàn)在，CFN科學(xué)家通過(guò)改變聚合物的形態(tài)(結(jié)構(gòu))將光響應(yīng)增加了600%。他們使用納米線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)代替薄膜，這些納米線(xiàn)是比相同聚合物和類(lèi)似厚度制成的納米結(jié)構(gòu)長(zhǎng)許多倍。這項(xiàng)研究在10月12日在線(xiàn)發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)(ACS)期刊ACS Photonics上的文章中有所描述。

“我們使用自組裝，一種非常簡(jiǎn)單且可重復(fù)的方法來(lái)制造納米線(xiàn)網(wǎng)格，”第一作者，李明興說(shuō)，他是CFN軟和生物納米材料集團(tuán)的研究員。“將其置于適當(dāng)?shù)娜芤褐胁嚢柽^(guò)夜，聚合物將自行形成線(xiàn)狀納米結(jié)構(gòu)。然后我們將生成的納米線(xiàn)旋轉(zhuǎn)澆鑄到稱(chēng)為石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的電子器件上。”

科學(xué)家們制造了僅由石墨烯制成的FET，石墨烯和P3HT薄膜，以及石墨烯和P3HT納米線(xiàn)。在通過(guò)原子力顯微鏡，拉曼光譜和X射線(xiàn)散射技術(shù)檢查FET器件的厚度和晶體結(jié)構(gòu)后，他們測(cè)量了它們的光誘導(dǎo)電特性(光響應(yīng)性)。他們?cè)诟鞣N光照功率下測(cè)量流過(guò)FET的電流表明，與薄膜FET相比，納米線(xiàn)FET的光響應(yīng)提高了600%，與僅使用石墨烯的FET相比提高了3000%。

“我們不希望通過(guò)改變聚合物的形態(tài)來(lái)看到如此顯著的改善，”共同通訊作者，CFN軟和生物納米材料集團(tuán)的材料科學(xué)家Mircea Cotlet說(shuō)。

科學(xué)家認(rèn)為他們的觀察背后有兩種解釋。

“在一定的聚合物濃度下，納米線(xiàn)的尺寸與光的波長(zhǎng)相當(dāng)，”Li說(shuō)。“這種尺寸相似性具有增加光散射和吸收的效果。此外，納米線(xiàn)內(nèi)P3HT分子的結(jié)晶提供了更多的電荷載流子，將電能轉(zhuǎn)移到石墨烯層。”

“與聚合物鏈和晶體大部分隨機(jī)取向的傳統(tǒng)薄膜相比，導(dǎo)線(xiàn)的納米級(jí)尺寸迫使聚合物鏈和晶體進(jìn)入特定方向，增強(qiáng)光吸收和電荷轉(zhuǎn)移，”共同作者Dmytro Nykyphanchuck說(shuō)， CFN軟和生物納米材料集團(tuán)的材料科學(xué)家。

科學(xué)家們已經(jīng)為他們的制造工藝申請(qǐng)了美國(guó)專(zhuān)利，他們很高興能夠探索其他2-D以及0-D和1-D材料中的光物質(zhì)相互作用。

“等離子體和納米光子學(xué) - 對(duì)納米級(jí)光的研究 - 是新興的研究領(lǐng)域，”Cotlet說(shuō)，他今年早些時(shí)候共同組織了CFN和國(guó)家同步加速器光源II用戶(hù)社區(qū)研討會(huì)(NSLS- II) - 布魯克海文的另一個(gè)DOE科學(xué)用戶(hù)設(shè)施辦公室 - 探索這些領(lǐng)域的前沿。“納米結(jié)構(gòu)可以非常有趣的方式操縱和控制納米尺度的光.CFN和NSLS-II的先進(jìn)納米加工和納米表征工具非常適合創(chuàng)建和研究具有增強(qiáng)光電子特性的材料。”