Les « nanofeuillets » bidimensionnels constitués de liaisons entre des atomes métalliques et des molécules organiques sont des candidats attrayants pour la conversion photoélectrique, mais se corrode facilement. Dans une nouvelle étude, des scientifiques du Japon et de Taïwan présentent une nouvelle conception de nanofeuilles utilisant du fer et du benzène hexathiol qui présente une stabilité record à l'exposition à l'air pendant 60 jours, signalant les applications optoélectroniques commerciales de ces matériaux 2D à l'avenir.

La conversion efficace de la lumière en électricité a été l'un des objectifs persistants des scientifiques dans le domaine de l'optoélectronique. Bien que l'amélioration de l'efficacité de la conversion soit un défi, plusieurs autres exigences doivent également être remplies. Par exemple, le matériau doit bien conduire l'électricité, avoir un temps de réponse court aux changements d'entrée (intensité lumineuse), et, le plus important, être stable en cas d'exposition à long terme.

Dernièrement, les scientifiques ont été fascinés par les « nanofeuilles de coordination » (CONASH), qui sont des nanomatériaux hybrides organiques-inorganiques dans lesquels des molécules organiques sont liées à des atomes métalliques dans un réseau 2D. L'intérêt des CONASH provient principalement de leur capacité à absorber la lumière dans de multiples gammes de longueurs d'onde et à les convertir en électrons avec une plus grande efficacité que les autres types de nanofeuillets. Cette prouesse a été observée dans un CONASH comprenant un atome de zinc lié à une molécule de porphyrine-dipyrrine. Malheureusement, le CONASH s'est rapidement corrodé en raison de la faible stabilité des molécules organiques dans les électrolytes liquides (un milieu couramment utilisé pour la conduction du courant).

« Le problème de la durabilité doit être résolu pour réaliser les applications pratiques des systèmes de conversion photoélectrique basés sur CONASH, " déclare le professeur Hiroshi Nishihara de l'Université des sciences de Tokyo (TUS), Japon, qui mène des recherches sur CONASH et a essayé de résoudre le problème de stabilité de CONASH.

Maintenant, dans une étude récente publiée dans Sciences avancées à la suite d'une recherche collaborative entre l'Institut national des sciences des matériaux (NIMS), Japon et TUS, le professeur Nishihara et ses collègues, Dr Hiroaki Maeda et Dr Naoya Fukui de TUS, Dr Ying-Chiao Wang et Dr Kazuhito Tsukagoshi du NIMS, M. Chun-Hao Chiang et le professeur Chun-Wei Chen de l'Université nationale de Taiwan, Taïwan, et le Dr Chi-Ming Chang et le professeur Wen-Bin Jian de l'Université nationale de Chiao-Tung, Taïwan, ont conçu un CONASH comprenant un ion fer (Fe) lié à une molécule de benzène hexathiol (BHT) qui a démontré la plus grande stabilité à l'exposition à l'air rapportée jusqu'à présent. Le nouveau photodétecteur à base de FeBHT CONASH peut conserver plus de 94% de son photocourant après 60 jours d'exposition ! De plus, l'appareil ne nécessite aucune source d'alimentation externe.

Qu'est-ce qui a rendu un tel exploit possible ? Mettre tout simplement, les scientifiques ont fait des choix intelligents. Premièrement, ils ont opté pour une architecture tout solide en remplaçant l'électrolyte liquide par une couche à l'état solide de Spiro-OMeTAD, un matériau connu pour être un transporteur efficace de "trous" (lacunes laissés par les électrons). Deuxièmement, ils ont synthétisé le réseau FeBHT à partir d'une réaction entre le sulfate de fer ammonium et le BHT, qui a accompli deux choses :une, la réaction était suffisamment lente pour protéger le groupe soufre de l'oxydation, et deux, il a aidé le réseau FeBHT résultant à devenir résistant à l'oxydation, comme les scientifiques l'ont confirmé en utilisant les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité.

En outre, le FeBHT CONASH a favorisé une conductivité électrique élevée, a montré une photoréponse améliorée avec une efficacité de conversion de 6% (l'efficacité la plus élevée précédemment rapportée était de 2%), et un temps de réponse <40 millisecondes pour l'éclairage UV.

Avec ces résultats, les scientifiques sont ravis des perspectives de CONASH dans les applications optoélectroniques commercialisées. « La haute performance des photodétecteurs basés sur CONASH, associée au fait qu'ils sont autoalimentés, peut ouvrir la voie à leurs applications pratiques telles que les capteurs de réception de lumière pouvant être utilisés pour les applications mobiles et l'enregistrement de l'historique d'exposition à la lumière des objets. , " dit le professeur Nishihara avec enthousiasme.