Forskere opdager nye exciton-interaktioner i kulstofnanorør

Nanoteknologiforskere, der studerer små bundter af kulstofnanorør, har opdaget en optisk signatur, der viser excitoner bundet til et enkelt nanorør ledsaget af excitoner, der tunnelerer hen over tæt interagerende nanorør. Denne kvantetunnelhandling kan påvirke energifordelingen i kulstof nanorør-netværk, med implikationer for lysemitterende film og lyshøstapplikationer.

"At observere denne adfærd i kulstof nanorør tyder på, at der er potentiale til at opdage og kontrollere en lignende reaktion i mere komplekse, flerlags halvleder og halvleder-metal heterostrukturer, " sagde Stephen Doorn, fra Center for Integrated Nanotechnologies i Los Alamos og en medforfatter af undersøgelsen, for nylig udgivet i Naturkommunikation .

Carbon nanorør er cylindre af grafen med deres atomer arrangeret i sekskanter. De er af interesse som nær-infrarøde lysgivere og halvledermaterialer i nanoskala til elektronik- og optoelektronikapplikationer.

Excitoner transporterer effektivt energi i kulstofnanorør som tæt bundne par af negativ og positiv ladning (elektroner og huller). Excitoner dannes, når lys absorberes af materialet. Interaktioner mellem individuelle elementer i nanomaterialer kan give anledning til ny opstået adfærd, såsom excitonkondensering. Kulstof-nanorør-interrør-excitoner - de excitoner, der tunnelerer mellem rør - føjer til rækken af ​​observerede exciton-adfærd.

I undersøgelsen, et samarbejdende forskerhold fra Los Alamos National Laboratory, Center for Integrated Nanotechnologies og National Institute of Standards and Technology viste, at Raman-spektroskopi (en form for lysspredning) kan give en mere omfattende karakterisering af intertube-excitoner. Holdet brugte kemiske separationer til at isolere en prøve af en enkelt type kulstofnanorørstruktur. Nanorørene i disse prøver blev derefter bundtet for at fremtvinge interaktioner mellem individuelle nanorør.

For at profilere kulstofnanorørets excitonenergier, holdet målte intensiteten af ​​Raman spredt lys, da de varierede lysets bølgelængde. Overraskende nok, holdet fandt et tidligere uobserveret skarpt træk i Raman-profilen af ​​de bundtede kulstofnanorør. Denne uventede funktion blev ikke fundet for ikke-interagerende individuelle kulstofnanorør.

Teoretisk analyse viste, at den unikke pakningsgeometri produceret i bundter sammensat af en enkelt kulstofnanorørstruktur resulterer i kæder af tæt interagerende kulstofatomer. Disse kæder fremmer dannelsen af ​​interrør-excitoner. Yderligere analyse viste, at interrør-excitonerne i sig selv ikke kan interagere med lys på en måde, der genererer det skarpe træk. I stedet, en interaktion mellem interrør-excitonerne og intrarør-excitonerne fører til en exciton-spredningsproces, der er ledsaget af en kvanteinterferens. En sådan interferens resulterer i et skarpt asymmetrisk træk kendt som en Fano-resonans, der blev identificeret i Raman-målingen.

Holdets resultater generaliserer nu denne adfærd til en ny klasse af exciton-respons i kulstof-nanorørsamlinger, antyder sådan adfærd kan findes i en bredere klasse af 2-dimensionelle kvantekompositmaterialer.