Forskere udvikler teknik til billeddannelse af individuelle kulstofnanorør

(Phys.org) – På trods af deres næsten ubegribeligt lille størrelse – en diameter på omkring en tiende tusindedel af tykkelsen af ​​et menneskehår – findes enkeltvæggede kulstofnanorør i et væld af forskellige "arter, " hver med sin egen struktur og unikke kombination af elektroniske og optiske egenskaber. Karakterisering af strukturen og egenskaberne af et individuelt kulstofnanorør har involveret en masse gætværk – indtil nu.

Forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California (UC) Berkeley har udviklet en teknik, der kan bruges til at identificere strukturen af ​​et individuelt kulstof nanorør og karakterisere dets elektroniske og optiske egenskaber i en funktionel enhed.

"Ved at bruge en ny højkontrast polarisationsbaseret optisk mikroskopi opsætning, vi har demonstreret videohastighedsbilleddannelse og in-situ spektroskopi af individuelle kulstofnanorør på forskellige substrater og i funktionelle enheder, " siger Feng Wang, en kondenseret stof fysiker med Berkeley Labs Materials Sciences Division. "For første gang, vi kan tage billeder og spektre af individuelle nanorør i et generelt miljø, inklusive på underlag eller i funktionelle enheder, som burde være et fantastisk værktøj til at fremme nanorørteknologi."

Wang, som også er professor ved UC Berkeleys fysikafdeling, er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver denne forskning i tidsskriftet Natur nanoteknologi . Papiret har titlen "High-throughput optisk billeddannelse og spektroskopi af individuelle carbon nanorør i enheder." Medforfattere er Kaihui Liu, Xiaoping Hong, Qin Zhou, Chenhao Jin, Jinghua Li, Weiwei Zhou, Jie Liu, Enge Wang og Alex Zettl.

Et enkeltvægget kulstof nanorør kan være metallisk eller halvledende afhængigt af dets nøjagtige struktur. Halvledende nanorør kan have meget forskellige elektroniske båndgab, hvilket resulterer i vildt forskellige elektroniske eller optiske egenskaber.

"For fuldt ud at forstå felteffektenheder eller optoelektroniske enheder lavet af enkeltvæggede kulstof nanorør, det er afgørende at vide, hvilken art af kulstof nanorør der er i enheden, " siger Wang. "Tidligere, sådan information kunne ikke opnås, og forskerne måtte gætte på, hvad der foregik."

Den fysiske struktur og elektroniske egenskaber af hver enkelt art af enkeltvæggede kulstofnanorør er styret af chiralitet, hvilket betyder, at deres struktur har en tydelig venstre/højre orientering eller "handedness", " som ikke kan overlejres på et spejlbillede. Som et resultat, at opnå chiralitetskontrolleret vækst af kulstofnanorør og forstå fysikken bag chiralitetsafhængige enheder er to af de største udfordringer inden for nanorørforskning.

"Polarisationsbaserede optiske mikroskopi- og spektroskopiteknikker er velegnede til at imødekomme disse udfordringer, da polariseret lys er ekstremt følsomt over for optisk anisotropi i et system og længe er blevet udnyttet til at studere chiralitet i molekyler og krystaller, " siger Wang. "Men det lille signal og den uundgåelige miljøbaggrund har gjort det vanskeligt at bruge polariseret optisk mikroskopi til at studere enkelte kulstof nanorør."

Vanskeligheder opstår som følge af en tilsyneladende modsætning i polarisationsbaseret optisk mikroskopi. For ethvert optisk mikroskop, et objektiv med stor numerisk blænde (NA) er afgørende for høj rumlig opløsning, men polariseret lys, der passerer gennem et stort NA-objektiv, bliver stærkt depolariseret. Med deres nye teknik, Wang og hans kolleger var i stand til at gøre, hvad der ikke er blevet gjort før og samtidig opnå både høj polarisering og høj rumlig opløsning.

"Nøglen til vores succes var erkendelsen af, at lysbelysning og lysindsamling kan styres separat, " siger Wang. "Vi brugte et stort NA-objektiv til lysindsamling for at opnå høj rumlig opløsning, men var i stand til at skabe et effektivt lille NA-objektiv til belysning for at opretholde høj polarisationsrenhed."

I deres opsætning, Wang og hans kolleger indsamlede nanorør-spredt polariseret lys med et 0,8 NA objektiv, men brugte en meget smallere indfaldende stråle til at skabe belysningslys fra en superkontinuum laser med en meget mindre NA. Resultatet var polarisering en størrelsesorden højere end hvad der er blevet opnået med konventionel polariseret mikroskopi og rumlig opløsning på nanoskala. Dette gjorde det muligt for dem at opnå komplette chiralitetsprofiler af hundredvis af kulstofnanorør, som voksede, og at udføre in-situ overvågning i aktive felteffektenheder.

"Vi observerede, at optiske resonanser af høj ordens nanorør bliver dramatisk udvidet af elektrostatisk doping, en uventet adfærd, der peger på stærke inter-bånd elektron-elektron spredningsprocesser, der dominerer den ultrahurtige dynamik af exciterede tilstande i kulstof nanorør, " siger Wang.

Ud over individuelle enkeltvæggede kulstofnanorør, Wang og hans kolleger siger, at deres teknik også kan bruges til i høj grad at forbedre den optiske kontrast af andre anisotrope materialer i nanostørrelse, der er "usynlige" for konventionelle optiske mikroskoper, inklusive grafen nanobånd, halvleder nanotråde og nanorods, og nanobiomaterialer såsom actinfilamenter.