Optisk aktive defekter forbedrer kulstofnanorør

Egenskaberne af kulstofbaserede nanomaterialer kan ændres og konstrueres gennem den bevidste introduktion af visse strukturelle "ufuldkommenheder" eller defekter. Udfordringen, imidlertid, er at kontrollere antallet og typen af ​​disse defekter. I tilfælde af kulstofnanorør - mikroskopisk små rørformede forbindelser, der udsender lys i det nær-infrarøde - har kemikere og materialeforskere ved Heidelberg Universitet ledet af prof. Dr. Jana Zaumseil nu demonstreret en ny reaktionsvej, der muliggør en sådan defektkontrol. Det resulterer i specifikke optisk aktive defekter - såkaldte sp3-defekter - som er mere selvlysende og kan udsende enkelte fotoner, det er, partikler af lys. Den effektive emission af nær-infrarødt lys er vigtig for anvendelser inden for telekommunikation og biologisk billeddannelse.

Normalt betragtes defekter som noget "dårligt", der negativt påvirker et materiales egenskaber, gør det mindre perfekt. Imidlertid, i visse nanomaterialer såsom kulstofnanorør kan disse "ufuldkommenheder" resultere i noget "godt" og muliggøre nye funktionaliteter. Her, den præcise type defekter er afgørende. Carbon nanorør består af sammenrullede plader af et sekskantet gitter af sp2 carbonatomer, da de også forekommer i benzen. Disse hule rør er omkring en nanometer i diameter og op til flere mikrometer lange.

Gennem visse kemiske reaktioner, nogle få sp2 carbonatomer i gitteret kan omdannes til sp3 carbon, som også findes i metan eller diamant. Dette ændrer den lokale elektroniske struktur af kulstofnanorøret og resulterer i en optisk aktiv defekt. Disse sp3-defekter udsender lys endnu længere i det nær-infrarøde og er generelt mere selvlysende end nanorør, der ikke er blevet funktionaliserede. På grund af kulstofnanorørs geometri, den præcise position af de indførte sp3 carbonatomer bestemmer de optiske egenskaber af defekterne. "Desværre, hidtil har der været meget lidt kontrol over, hvilke defekter der dannes, " siger Jana Zaumseil, der er professor ved Institut for Fysisk Kemi og medlem af Center for Avancerede Materialer ved Heidelberg Universitet.

Heidelberg-forskeren og hendes team demonstrerede for nylig en ny kemisk reaktionsvej, der muliggør defektkontrol og selektiv oprettelse af kun én specifik type sp3-defekt. Disse optisk aktive defekter er "bedre" end nogen af ​​de tidligere introducerede "ufuldkommenheder". Ikke alene er de mere selvlysende, de viser også enkelt-fotonemission ved stuetemperatur, Prof. Zaumseil forklarer. I denne proces, kun én foton udsendes ad gangen, hvilket er en forudsætning for kvantekryptografi og meget sikker telekommunikation.

Ifølge Simon Settele, en ph.d.-studerende i Prof. Zaumseils forskningsgruppe og den første forfatter på papiret, der rapporterer disse resultater, denne nye funktionaliseringsmetode - en nukleofil tilføjelse - er meget enkel og kræver ikke noget særligt udstyr. "Vi er kun lige begyndt at udforske de potentielle anvendelser. Mange kemiske og fotofysiske aspekter er stadig ukendte. Men, målet er at skabe endnu bedre defekter."

Denne forskning er en del af projektet "Trions and sp3-Defects in Single-walled Carbon Nanotubes for Optoelectronics" (TRIFECTs), ledet af prof. Zaumseil og finansieret af en ERC Consolidator Grant fra European Research Council (ERC). Dens mål er at forstå og konstruere de elektroniske og optiske egenskaber ved defekter i kulstofnanorør.

"De kemiske forskelle mellem disse defekter er subtile, og den ønskede bindingskonfiguration dannes normalt kun i et mindretal af nanorør. At kunne producere et stort antal nanorør med en specifik defekt og med kontrollerede defekttætheder baner vejen for optoelektroniske enheder såvel som elektrisk pumpede enkeltfotonkilder, som er nødvendige for fremtidige applikationer inden for kvantekryptografi, " siger prof. Zaumseil.