Figur 1:Skematisk tegning, der viser en mørk exciton, der omdannes til en lys exciton, før den udsender lys. Tre RIKEN-fysikere har vist, at konverteringsraten for denne proces er højere i længere nanorør. Kredit:A. Ishii et al. CC BY 4.0 © 2019
At skræddersy dimensionerne og andre egenskaber af kulstofnanorør kan øge mængden af lys, de udsender, markant. har tre fysikere på RIKEN opdaget. Denne konstatering lover at føre til udviklingen af højeffektive fotoniske enheder.
Carbon nanorør er små cylindre, der kun er en nanometer til et par nanometer i diameter, men kan være op til flere mikrometer i længden. Deres fremragende elektroniske og mekaniske egenskaber gør dem attraktive til brug i energieffektive enheder. I særdeleshed, en defekt i nanorørs ellers rene atomare kulstofstrukturer kan udsende enkelte fotoner af lys - en vital komponent for mange nanoskalaenheder, der er nødvendige for kvanteberegning og kommunikation.
I en typisk lysemitterende enhed, laserlys eller et elektrisk felt skaber par af elektroner og huller kendt som excitoner. Noget tid senere, elektronen og hullet rekombinerer og excitonen tilintetgør. Afhængig af excitonens symmetri, udslettelse kan resultere i udsendelse af lys eller ej.
Omkring halvdelen af de skabte excitoner er lyse, mens den anden halvdel er mørke og rekombinerer uden at udsende lys. Nogle mørke excitoner kan blive til lyse excitoner og derefter udsende lys ved tilintetgørelse. Men kulstof nanorør har en tendens til at have lav lys-emitterende effektivitet, hovedsagelig fordi mørke excitoner ofte rekombinerer, før de kan blive til lyse excitoner.
Nu, Yuichiro Kato og to kolleger, alle på RIKEN Nanoscale Quantum Photonics Laboratory, har opdaget, at ved at skræddersy specifikationerne for nanorørene kan mere end halvdelen af de mørke excitoner omdannes til lyse, derved i høj grad øge lysudbyttet af nanorørene (fig. 1).
Forskerne udførte tidsopløste luminescensmålinger på en række kulstofnanorør. Ved at tilpasse de tidsopløste luminescensspor med en model, de fandt ud af, at konverteringsraten mellem mørke og lyse excitoner afhænger af længden, diameter og chiralitet af nanorørene. De tre forskere vurderede, at i længere nanorør, konverteringsraten for mørke til lyse excitoner var så høj, at mere end halvdelen af de mørke excitoner bidrog til den totale luminescens.
"Disse resultater viser, at mørke excitoner signifikant kan påvirke emissionskinetikken i lavdimensionelle materialer såsom nanorør, " siger Kato. "De peger således på potentialet ved at bruge overfladeinteraktioner til at konstruere konverteringsprocessen fra mørk til lys."
Holdet har nu til hensigt at udforske potentialet i at udnytte denne effekt. "Vi er interesserede i at bruge denne effektive konverteringsproces til at opnå carbon-nanorør enkeltfoton-emittere, der har bedre ydeevne, " siger Kato.