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检测不同维度的光

发布时间:2019-02-23 11:30:09 来源:

来自功能纳米材料中心(CFN)的科学家 - 美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室科学用户设施办公室 - 通过自组装的线状纳米结构显着改善了石墨烯对光的响应电力。这种改进可以为石墨烯探测器的开发铺平道路,这种探测器能够快速感知极低水平的光,例如医学成像,辐射探测和监视应用中的光。

石墨烯是一种二维(2-D)纳米材料,具有不寻常和有用的机械,光学和电子特性。它既极薄又极其坚固,能够检测出几乎任何颜色的光线,并能很好地传导热量和电力。然而,由于石墨烯仅由一片碳原子制成,因此它只能吸收非常少量的入射光(约2%)。

克服该问题的一种方法是将石墨烯与强光吸收材料(例如导电的有机化合物)结合。科学家最近通过在单层石墨烯上放置一种这样的导电聚合物(聚(3-己基噻吩)或P3HT)的薄膜(几十纳米)来证明改善了光响应。

现在,CFN科学家通过改变聚合物的形态(结构)将光响应增加了600%。他们使用纳米线网络代替薄膜,这些纳米线是比相同聚合物和类似厚度制成的纳米结构长许多倍。这项研究在10月12日在线发表在美国化学学会(ACS)期刊ACS Photonics上的文章中有所描述。

“我们使用自组装,一种非常简单且可重复的方法来制造纳米线网格,”第一作者,李明兴说,他是CFN软和生物纳米材料集团的研究员。“将其置于适当的溶液中并搅拌过夜,聚合物将自行形成线状纳米结构。然后我们将生成的纳米线旋转浇铸到称为石墨烯场效应晶体管(FET)的电子器件上。”

科学家们制造了仅由石墨烯制成的FET,石墨烯和P3HT薄膜,以及石墨烯和P3HT纳米线。在通过原子力显微镜,拉曼光谱和X射线散射技术检查FET器件的厚度和晶体结构后,他们测量了它们的光诱导电特性(光响应性)。他们在各种光照功率下测量流过FET的电流表明,与薄膜FET相比,纳米线FET的光响应提高了600%,与仅使用石墨烯的FET相比提高了3000%。

“我们不希望通过改变聚合物的形态来看到如此显着的改善,”共同通讯作者,CFN软和生物纳米材料集团的材料科学家Mircea Cotlet说。

科学家认为他们的观察背后有两种解释。

“在一定的聚合物浓度下,纳米线的尺寸与光的波长相当,”Li说。“这种尺寸相似性具有增加光散射和吸收的效果。此外,纳米线内P3HT分子的结晶提供了更多的电荷载流子,将电能转移到石墨烯层。”

“与聚合物链和晶体大部分随机取向的传统薄膜相比,导线的纳米级尺寸迫使聚合物链和晶体进入特定方向,增强光吸收和电荷转移,”共同作者Dmytro Nykyphanchuck说, CFN软和生物纳米材料集团的材料科学家。

科学家们已经为他们的制造工艺申请了美国专利,他们很高兴能够探索其他2-D以及0-D和1-D材料中的光物质相互作用。

“等离子体和纳米光子学 - 对纳米级光的研究 - 是新兴的研究领域,”Cotlet说,他今年早些时候共同组织了CFN和国家同步加速器光源II用户社区研讨会(NSLS- II) - 布鲁克海文的另一个DOE科学用户设施办公室 - 探索这些领域的前沿。“纳米结构可以非常有趣的方式操纵和控制纳米尺度的光.CFN和NSLS-II的先进纳米加工和纳米表征工具非常适合创建和研究具有增强光电子特性的材料。”

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