Создание более адаптируемых полупроводниковых наноструктур на основе графена для будущего приложения в оптоэлектронных и электронных устройствах – задача не из легких, ведь графен является достаточно инертным материалом за счет sp²-гибридизации связей углерод-углерод. Однако группа ученых из США предложила способ преодоления этой проблемы за счет выращивания на поверхности графена нанопроводов из оксида цинка (также являющегося полупроводником) при помощи процесса, изменяющего поверхность этого уникального материала, но не меняющего его полезные свойства.

Графен представляет собой двумерный материал, в основе которого лежит гексагональная кристаллическая решетка из атомов углерода. За счет своего строения этот материал обладает целым рядом уникальных электронных и механических свойств, делающих его применимым в различных областях электроники и оптоэлектроники. При этом перспективы есть у использования не только чистого графена, но также у сложных структур, состоящих, к примеру, из графена и нанопроводов из оксида цинка. Правда, до сих пор ученые испытывали сложности с выращиванием на поверхности графена других наноструктур из-за его инертности.

Группе ученых из Massachusetts Institute of Technology (США) удалось преодолеть эту проблему. Они вырастили на поверхности графена массив нанопроводов из оксида цинка, проявляющего полупроводниковые свойства, при помощи изменения поверхности этого материала за счет проводящей полимерной прослойки.

Ученые синтезировали зерна оксида цинка на поверхностном слое полимера, что позволило обеспечить рост упорядоченных нанопроводов в ходе низкотемпературных гидротермальных процессов. К слову, помимо лучшего роста, промежуточный полимерный слой обеспечивает эффективную передачу заряда между нанопроводами из оксида цинка и графеном, что позволяет использовать уникальные электронные свойства последнего в практических применениях.

Для демонстрации потенциального значения предложенной структуры команда применила ее для формирования двух вариантов солнечных ячеек (в основе которых лежали два различных фотоактивных материала).

В случае с использованием квантовых точек PbS ученым удалось добиться эффективности преобразования солнечной энергии в 4,2%. К слову, ширина запрещенной зоны в этом устройстве вполне может контролироваться, посредством изменения размеров и числа квантовых точек на единицу поверхности нанопроводов. Таким образом,

можно настроить ячейку для поглощения максимальной доли солнечного спектра.

У солнечной ячейки, построенной на основе сопряженного полимера P3HT, эффективность была ниже, порядка 0,5%. С точки зрения подобного топливного элемента применение массива нанопроводов из оксида цинка в описанной структуре имеет целый ряд преимуществ. Главное заключается в том, что

при подобном способе производства расстояние между нанопроводами соизмеримо с длиной пробега экситонов (пары электрона и дырки) в сопряженных полимерах. Таким образом, заряды могут эффективно переноситься внутри устройства.

В данный момент научная группа работает над созданием иных гибких фотовольтаических систем, в основе которых лежит графен. Они сосредоточили свое внимание на тех приложениях, где разработанные ими устройства по своим характеристикам будут превосходить существующие аналоги.