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Les nanofils conduisent le photocourant
Les photocopieurs, les détecteurs infrarouges et les récepteurs optiques des systèmes de télécommunication à fibre optique dépendent tous de photoconducteurs, des matériaux qui conduisent plus de courant électrique lorsqu'ils sont exposés à la lumière. Fabriqués à l'échelle nanométrique, les photoconducteurs pourraient conduire à une variété de minuscules dispositifs optoélectroniques potentiellement utiles dans les futures générations de nanoélectroniques, de capteurs chimiques, et éventuellement fournir des indices sur la fabrication de minuscules cellules solaires.
Désormais, des chercheurs japonais, dirigés par Takuzo Aïda , professeur au département de chimie et de biotechnologie de l'Université de Tokyo, ont fabriqué un photoconducteur à partir de deux molécules organiques différentes qui s'auto-assemblent en de longs nanotubes creux. Les nanofils ne conduisent presque pas de courant dans l'obscurité, mais lorsqu'ils sont touchés par la lumière, ils conduisent 10 000 fois plus de courant. Cela pourrait conduire à des nanodispositifs bon marché qui s'auto-assemblent à partir d'une solution chimique.
Pour fabriquer un photoconducteur, il est important d'avoir une jonction entre deux couches séparées : une qui donne la charge et une autre qui l'accepte. Les photoconducteurs fabriqués auparavant n'ont pas de couches donneuses et acceptrices séparées au niveau du nanomètre, explique Aida. Le nouveau photoconducteur, que les chercheurs décrivent dans le La science , est le premier qui fournit une hétérojonction donneur-accepteur à l'échelle nanométrique et présente une propriété photoconductrice, dit Aida.
Les chercheurs créent une solution de deux molécules organiques, la trinitrofluorénone (TNF) et l'hexabenzocoronène (HBC), dans un solvant. Lorsqu'elles exposent cette solution à des vapeurs de méthanol à 25 °C, les molécules organiques s'auto-assemblent en tubes creux de 16 nanomètres de large. Les parois de 3 nanomètres d'épaisseur des nanotubes sont constituées de couches de TNF, qui agissent comme la couche acceptrice d'électrons, laminant la couche donneuse d'électrons HBC.
Lorsque les chercheurs placent les photoconducteurs entre les électrodes et appliquent une tension, presque aucun courant ne circule. Mais lorsqu'ils sont éclairés par de la lumière ultraviolette ou visible, les nanofils conduisent l'électricité. Le courant électrique sous éclairage est de quatre ordres de grandeur supérieur à celui dans l'obscurité, dit Aida. Un rapport marche-arrêt aussi important est très important pour les applications optoélectroniques.
À l'heure actuelle, la conductivité des nanofils change en réponse à la lumière ; ils n'absorbent pas la lumière pour générer du courant électrique comme le font les cellules solaires. Mais la structure en couches des nanotubes établit un modèle pour convertir la lumière en électricité, car l'interface entre les couches donneuse et acceptrice peut être considérée comme une jonction p-n, l'unité de base d'une cellule solaire, dit Frank Wurthner , professeur de chimie à l'Université de Würzburg, en Allemagne.
Walter Smith , un physicien impliqué dans la recherche sur les photoconducteurs à l'échelle nanométrique au Haverford College, qualifie ce nouveau travail d'excitant car il s'agit du premier exemple d'un système d'auto-assemblage avec une séparation bien définie entre les couches donneuse et acceptrice. Les gens sont capables de fabriquer de très petites cellules solaires, mais pouvoir les assembler eux-mêmes, espérons-le, réduit le coût de fabrication, dit-il. L'auto-assemblage donne également une précision extraordinaire au niveau atomique dans le placement relatif des composants se liant entre eux pour former une structure.
Un avantage important de la méthode des chercheurs japonais est que les molécules s'assemblent spontanément lorsqu'elles sont exposées aux vapeurs de méthanol. Il est important d'avoir un signal externe qui déclenche l'auto-assemblage, dit Smith, car finalement, lorsque nous essayons de construire des systèmes plus complexes, nous pouvons utiliser différents signaux pour lancer l'auto-assemblage de différentes parties du système. Le travail des chercheurs japonais, ajoute-t-il, est un grand pas vers la compréhension de la science fondamentale de ce qui motive l'auto-assemblage.