Lysemitterende nanorør bliver lysere med nul-dimensionelle tilstande

Carbon nanorør har potentiale til at fungere som lysemitterende enheder, hvilket kan føre til en række forskellige nanofotoniske applikationer. Imidlertid, nanorør har i øjeblikket et lavt luminescenskvanteudbytte, typisk omkring 1%, som er begrænset af deres endimensionelle karakter. I en ny undersøgelse, forskere har demonstreret, at kunstigt at ændre dimensionen af ​​carbon nanorør ved at doping dem med nul-dimensionelle tilstande kan øge deres lysstyrke til 18%. Resultaterne kan føre til udvikling af nanofotoniske enheder såsom en nær-infrarød enkelt-fotonemitter, der fungerer ved stuetemperatur.

Forskerne, Yuhei Miyauchi, et al., har offentliggjort deres papir om ændring af dimensionen af ​​carbon nanorør i et nyligt nummer af Natur fotonik .

Under en påført elektrisk strøm eller lysbestråling, ophidsede elektroner og huller (positivt ladede steder, hvor elektroner mangler), skabes, og carbon nanorør udsender nær-infrarødt lys. I denne proces, ophidsede elektroner og huller danner bundne tilstande kaldet excitoner, og en foton udsendes på grund af rekombinationen af ​​en elektron og et hul under denne proces.

Som forskerne forklarer, en nanorørs lysstyrke, eller luminescens kvanteudbytte, bestemmes af balancen mellem de strålende og ikke-strålende henfaldshastigheder for dets excitoner. I nanorør, ikke-strålende henfald dominerer, hvilket resulterer i lav luminescens. Tidligere forskning har vist, at dette ikke-strålende henfald hovedsageligt skyldes den hurtige kollision mellem excitoner og nanorørdefekter, som slukker, eller undertrykke, excitonerne. Der er gjort en indsats for at reducere defektdæmpningen af ​​excitonerne, med varierende succes.

Imidlertid, ikke alle defekter slukker excitoner. Som forskerne forklarer, defekter med visse elektroniske strukturer kan fange excitoner og konvertere dem til fotoner med en meget høj strålingsforfaldshastighed, muligvis endda højere end excitonernes egenhastighed. Disse gavnlige defekter fungerer som nul-dimensionelle tilstande, og forskerne så dem som en mulighed for at forbedre nanorørets luminescens.

I forsøg, forskerne dopede karbon nanorørene tyndt med iltatomer, som fungerer som nul-dimension-lignende tilstande indlejret i de endimensionelle nanorør. De fandt ud af, at ved stuetemperatur, excitoner i nul-dimension-lignende tilstande kan opnå et luminescens-kvanteudbytte på 18%, en størrelsesorden større end værdien på 1% af dem i endimensionale nanorør. Forskerne tilskriver denne forbedring til mekanismer, der reducerer den ikke-strålende henfaldshastighed og forbedrer den strålende henfaldshastighed, og forudsige, at luminescensen kunne forbedres yderligere.

"Vi tror, ​​at luminescensen kan øges yderligere, hvis vi kan finde en bedre lokal atomstruktur af en kunstig nul-dimensionel tilstand, "Miyauchi, en forsker ved Kyoto University og Japan Science and Technology Agency, fortalt Phys.org . "På dette tidspunkt, vores nul-dimensionelle tilstand har en lavere mørk tilstand lige under den lyse tilstand, hvilket resulterer i omkring 50% reduktion af kvanteudbyttet ved stuetemperatur. Hvis man kan finde en bedre lokal struktur, vi forventer, at det kan være muligt at fjerne denne mørke tilstand under den lyse tilstand. Derefter, vi forventer yderligere stigning i luminescensudbyttet af excitoner i den lokale stat. "

I fremtiden, forskerne håber, at resultaterne vil stimulere yderligere undersøgelse af nul-dimensionelle-endimensionale hybridsystemer, vedrørende applikationer samt den grundlæggende fysik bag systemerne.

"Vi planlægger at udvikle en mere sofistikeret teknik til kun at generere en nul-dimensionel tilstand i et enkelt suspenderet carbon nanorør forbundet til elektroder, som er nødvendig for at udvikle en ægte nær-infrarød enkelt-fotonemitter, der kan fungere ved stuetemperatur ved hjælp af kulnanorør, "Sagde Miyauchi." Vi planlægger også at forsøge at opnå lasing ved hjælp af dette materiale. Selvom det er blevet anset for at være meget vanskeligt at opnå lasing ved hjælp af kulstofnanorør som forstærkningsmedier på grund af det meget hurtige ikke-strålende forfald på grund af hurtige kollisioner mellem excitoner under et stærkt excitationsregime, vi mener, at det ville være muligt at bruge nul-dimensionelle tilstande i carbon nanorør, fordi excitoner i nul-dimensionelle tilstande ville undgå kollision med andre excitoner.

"Vores fund kan også føre til fremstilling af nær-infrarøde lysdioder eller lasere med kulstof. Nær-infrarøde lyskilder er meget vigtige for telekommunikation ved hjælp af optiske fibre. Man har normalt brug for mindre metaller som f.eks. Ga, og som, at fremstille lysemittere til dette bølgelængdeområde. If one can make efficient light sources using only abundant carbon and without any minor metals, it would be very nice from the viewpoint of the resource problem.

"We are also very interested in the fundamental physics in these nice hybrid low-dimensional nanostructures, and we will explore another more interesting physics in them that possibly emerges from the interactions between the states with different dimensions in the same nanostructures."

© 2013 Phys.org. Alle rettigheder forbeholdes.