NYHET Fysiker vid Umeå universitet har tillsammans med forskare vid UC Berkeley, USA, utvecklat en metod för att framställa ett nytt unikt material som liknar grafenremsor men i molekylär form. Materialet kan bli en viktig pusselbit i den fortsatta utvecklingen av organiska solceller. Resultaten har publicerats i den vetenskapliga tidskriften ACS Nano.
Nanoremsorna är uppbyggda av molekyler med den kemiska formeln [6,6]-fenyl-C61-butyrsyra metyl ester. Ett kort namn för molekylen är PCBM och i praktiken är det en fulleren-molekyl (en fotbollsformad kolmolekyl) med en sidoarm som fästs för att öka deras löslighet. PCBM-molekyler används vanligen i organiska solceller eftersom de har god förmåga att transportera fria elektroner som genereras av solljus.
Forskarna vid Umeå universitet och UC Berkeley har nu utvecklat en metod att inordna dessa molekyler till tunna kristallina nanoremsor som bara är cirka fyra nanometer breda. Nanoremsorna tillverkas i en lösningsprocess med högt utbyte och alla nanoremsor har en homogen, unik struktur med sicksackformade kanter.
– Det är ett enormt spännande material och metoden är väldigt enkel. Materialet påminner om de mer kända grafenremsorna men i vårt material är kolatomerna ”ersatta” med PCBM-molekyler, säger Thomas Wågberg, docent på Institutionen för fysik vid Umeå universitet, som har lett studien.
Upptäckten är intressant av flera anledningar; det är första gången som strukturer med så små dimensioner har tillverkats av den här typen av molekyler, och nanoremsornas storlek innebär att de bör vara ideala som ”höghastighetsmotorvägar” för elektroner i organiska solceller. En organisk solcell består i huvudsak av två typer av material, ett som leder fria elektroner och ett som leder ”hålen”, det vill säga de tomma platser som blir kvar efter att elektronen fått en energikick från det infallande solljuset (man kan se transport av ”hål” ungefär som hur en tom plats rör sig bakåt i en bilkö som rör sig framåt).
Det är etablerat att en bra elektronledare i en organisk solcell bör forma långa transportsträckor till elektroden men samtidigt vara tunnare än 10-15 nanometer (ungefär en tiotusendel av tjockleken på ett normalt hårstrå). De nya nanoremsorna av PCBM uppfyller dessa villkor.
– Tillsammans med professor Ludvig Edmans grupp på Institutionen för fysik undersöker vi nu det här materialet ytterligare som komponent i organiska solceller, med förhoppningen att göra dem mer effektiva.
Studien är förstås också intressant av grundforskningssynpunkt eftersom den öppnar upp möjligheter att undersöka fysikaliska egenskaper hos material med dimensioner i nanometerområdet.
Kolnanostrukturer finns i många former. Grafen är ett kolmaterial som bara är ett atomlager tjockt. Under vissa omständigheter kan grafenet ”rivas” eller tillverkas så att det formar nanoremsor. När remsorna minskar i storlek i en av riktningarna (längs deras bredd) uppstår nya unika egenskaper hos materialet. Fullerener är likaså bestående av enbart kolatomer, men är formade som fotbollar med kolatomer i varje ”fästpunkt” mellan fem- och sexhörningarna. PCBM-molekylen är lik fullerenen men med en sidoarm fäst på fotbollen. Båda dessa molekyler har många intressanta egenskaper. I denna studie har forskarna lyckats framställa nanoremsor som består av PCBM-molekyler istället för kolatomer, så att strukturen påminner om grafenremsor men i molekylär form.
Gracia-Espino, Eduardo; Barzegar, Hamid; Sharifi, Tiva; Yan, Aiming; Zettl, Alex; Wågberg, Thomas: Fabrication of One Dimensional Zig-Zag [6,6]-Phenyl-C61-butyric acid methyl ester Nanoribbons from Two Dimensional Nanosheets. ACS Nano.
http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.5b04972
Thomas Wågberg, Institutionen för fysik vid Umeå universitetTelefon: 090-786 59 93
E-post: Thomas.wagberg@umu.se
Figurtext: Schematisk bild som visar nanoremsor av PCBM, bestående av PCBM-molekyler organiserade sida vid sida. De grå sfärerna representerar fullerenmolekyler (varje molekyl består av 60 kolatomer), och de förankrade sidoarmarna är karaktäristiska för PCBM-molekyler. De vita ”linjerna” representerar förmågan hos nanoremsorna att utgöra höghastighetsmotorvägar för elektroner.
Redaktör: Ingrid Söderbergh