Les scientifiques du Center for Functional Nanomaterials (CFN) - une installation du bureau des sciences du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) au Brookhaven National Laboratory - ont considérablement amélioré la réponse du graphène à la lumière grâce à des nanostructures filaires auto-assemblées qui conduisent l'électricité. L'amélioration pourrait ouvrir la voie au développement de détecteurs à base de graphène capables de détecter rapidement la lumière à des niveaux très faibles, comme celles que l'on trouve en imagerie médicale, détection de rayonnement, et les applications de surveillance.

Le graphène est un nanomatériau bidimensionnel (2-D) avec des propriétés mécaniques inhabituelles et utiles, optique, et les propriétés électroniques. Il est à la fois extrêmement fin et incroyablement solide, détecte la lumière de presque toutes les couleurs, et conduit bien la chaleur et l'électricité. Cependant, parce que le graphène est fait de feuilles de carbone d'un seul atome d'épaisseur, il ne peut absorber qu'une très petite quantité de lumière entrante (environ deux pour cent).

Une approche pour surmonter ce problème consiste à combiner le graphène avec des matériaux absorbant la lumière puissants, tels que les composés organiques qui conduisent l'électricité. Les scientifiques ont récemment démontré une photoréponse améliorée en plaçant des films minces (quelques dizaines de nanomètres) d'un tel polymère conducteur, poly(3-hexylthiophène), ou P3HT, au-dessus d'une seule couche de graphène.

Maintenant, les scientifiques du CFN ont amélioré la photoréponse de 600 % supplémentaires en modifiant la morphologie (structure) du polymère. Au lieu de films minces, ils ont utilisé un maillage de nanofils, des nanostructures plusieurs fois plus longues que larges, constituées du même polymère et d'une épaisseur similaire. La recherche est décrite dans un article publié en ligne le 12 octobre dans ACS Photonique , un journal de l'American Chemical Society (ACS).

"Nous avons utilisé l'auto-assemblage, une méthode très simple et reproductible, pour créer le maillage nanofilaire, " a déclaré le premier auteur Mingxing Li, chercheur associé au CFN Soft and Bio Nanomaterials Group. "Placé dans une solution appropriée et agité pendant une nuit, le polymère se transformera lui-même en nanostructures filiformes. Nous avons ensuite coulé les nanofils résultants sur des dispositifs électriques appelés transistors à effet de champ au graphène (FET)."

Les scientifiques ont fabriqué des FET à base de graphène uniquement, des couches minces de graphène et de P3HT, et les nanofils de graphène et P3HT. Après avoir vérifié l'épaisseur et la structure cristalline des dispositifs FET par microscopie à force atomique, Spectroscopie Raman, et techniques de diffusion des rayons X, ils ont mesuré leurs propriétés électriques induites par la lumière (photoréactivité). Leurs mesures du courant électrique circulant dans les FET sous diverses puissances d'éclairage ont révélé que les FET à nanofils améliorent la photoréponse de 600 % par rapport aux FET à couche mince et de 300 % par rapport aux FET au graphène uniquement.

"Nous ne nous attendions pas à voir une amélioration aussi spectaculaire simplement en changeant la morphologie du polymère, " a déclaré l'auteur co-correspondant Mircea Cotlet, un scientifique des matériaux dans le groupe CFN Soft and Bio Nanomaterials.

Les scientifiques pensent qu'il y a deux explications derrière leurs observations.

"A une certaine concentration en polymère, les nanofils ont des dimensions comparables à la longueur d'onde de la lumière, " a déclaré Li. " Cette similitude de taille a pour effet d'augmenter la diffusion et l'absorption de la lumière. En outre, la cristallisation des molécules P3HT dans les nanofils fournit plus de porteurs de charge pour transférer l'électricité à la couche de graphène."

"Contrairement aux films minces conventionnels où les chaînes et les cristaux polymères sont principalement orientés de manière aléatoire, la dimension nanométrique des fils force les chaînes polymères et les cristaux dans une orientation spécifique, améliorant à la fois l'absorption de la lumière et le transfert de charge, " a déclaré le co-auteur Dmytro Nykyphanchuck, un scientifique des matériaux dans le groupe CFN Soft and Bio Nanomaterials.

Les scientifiques ont déposé un brevet américain pour leur procédé de fabrication, et ils sont ravis d'explorer les interactions lumière-matière dans d'autres matériaux 2D, ainsi que 0-D et 1-D.

"La plasmonique et la nanophotonique - l'étude de la lumière à l'échelle nanométrique - sont des domaines de recherche émergents, " dit Cotlet, qui plus tôt cette année a co-organisé un atelier pour les communautés d'utilisateurs du CFN et de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - une autre installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à Brookhaven - pour explorer les frontières dans ces domaines. « Les nanostructures peuvent manipuler et contrôler la lumière à l'échelle nanométrique de manière très intéressante. Les outils avancés de nanofabrication et de nanocaractérisation du CFN et du NSLS-II sont parfaitement adaptés à la création et à l'étude de matériaux aux propriétés optoélectroniques améliorées.