Forskere løser mysteriet med farverige nanorør til lænestole

(PhysOrg.com) -- Rice University forskere har fundet ud af, hvad der giver lænestols nanorør deres unikke klare farver:brintlignende objekter kaldet excitoner.

Deres resultater vises i online-udgaven af Journal of the American Chemical Society.

Lænestols carbon nanorør - så opkaldt efter den "U"-formede konfiguration af atomerne ved deres uafsluttede spidser - er endimensionelle metaller og har ingen båndgab. Det betyder, at elektroner flyder fra den ene ende til den anden med lille resistivitet, selve egenskaben, der en dag kan gøre lænestolens kvantetråde mulige.

Rice-forskerne viser, at nanorør i lænestole absorberer lys som halvledere. En elektron forfremmes fra en immobil tilstand til en ledende tilstand ved at absorbere fotoner og efterlade et positivt ladet "hul, " sagde Ris-fysiker Junichiro Kono. Det nye elektron-hul-par danner en exciton, som har en neutral ladning.

"Excitonerne skabes ved absorption af en bestemt bølgelængde af lys, " sagde kandidatstuderende og hovedforfatter Erik Hároz. "Det, dit øje ser, er lyset, der er tilovers; nanorørene tager en del af det synlige spektrum ud." Diameteren af ​​nanorøret bestemmer, hvilke dele af det synlige spektrum der absorberes; denne absorption tegner sig for regnbuen af ​​farver, der ses blandt forskellige partier af nanorør.

Forskere har indset, at guld og sølv nanopartikler kunne manipuleres til at afspejle strålende nuancer - en egenskab, der lod håndværkere, der ikke havde nogen forestillinger om "nano", skabe farvede glasvinduer til middelalderlige katedraler. Afhængig af deres størrelse, partiklerne absorberede og udsendte lys af bestemte farver på grund af et fænomen kendt som plasmaresonans.

I nyere tid, forskere bemærkede halvledende nanopartikler, også kendt som kvanteprikker, viser farver bestemt af deres størrelsesafhængige båndgab.

Men plasmaresonans sker ved bølgelængder uden for det synlige spektrum i metalliske kulstofnanorør. Og nanorør til lænestole har ikke båndhuller.

Konos laboratorium fastslog i sidste ende, at excitoner er kilden til farve i partier af rene lænestolsnanorør suspenderet i opløsning.

Resultaterne virker kontraintuitive, Kono sagde, fordi excitoner er karakteristiske for halvledere, ikke metaller. Kono er professor i elektro- og computerteknik og i fysik og astronomi.

Mens lænestols nanorør ikke har båndhuller, de har en unik elektronisk struktur, der favoriserer særlige bølgelængder til lysabsorption, han sagde.

"I lænestols nanorør, lednings- og valensbåndene rører hinanden, " sagde Kono. "En-dimensionaliteten, kombineret med dens unikke energispredning, gør det til et metal. Men bandene udvikler det, der kaldes en van Hove-singularitet, " som fremstår som en top i tætheden af ​​tilstande i et endimensionelt fast stof. "Så der er masser af elektroniske tilstande koncentreret omkring denne singularitet."

Excitonresonans har en tendens til at forekomme omkring disse singulariteter, når de rammes med lys, og jo stærkere resonans, jo mere fremtrædende farve. "Det er en usædvanlig kvalitet af disse særlige endimensionelle materialer, at disse excitoner faktisk kan eksistere, " sagde Hároz. "I de fleste metaller, det er ikke muligt; der er ikke nok Coulomb-interaktion mellem elektronen og hullet til at en exciton er stabil."

Det nye papir følger i hælene på Kono og hans teams arbejde med at skabe partier af rene enkeltvæggede kulstofnanorør gennem ultracentrifugering. I den proces, nanorør blev spundet i en blanding af opløsninger med forskellige densiteter op til 250, 000 gange tyngdekraften. Rørene graviterede naturligt mod adskilte løsninger, der matchede deres egne tætheder for at skabe en farverig "nano-parfait".

Som et biprodukt af deres nuværende arbejde, forskerne beviste deres evne til at fremstille rensede lænestolsnanorør ud fra en række forskellige synteseteknikker. De håber nu at udvide deres undersøgelse af de optiske egenskaber af lænestole ud over synligt lys. "Ultimativt, vi vil gerne lave ét kollektivt spektrum, der inkluderer frekvensområder hele vejen fra ultraviolet til terahertz, " sagde Hároz. "Derfra, vi kan vide, optisk, næsten alt om disse nanorør."