Optiske effekter af den divalente funktionalisering af kulstofnanorør

Forskere har lært, hvordan man placerer krystallinske defekter i nye materialer med præcision i atomare skala. Dette muliggør materialer, der kan kontrollere excitoner - energibærere, der ligner subatomære partikler. Ny forskning viser, at ved præcist at binde specifikke kemiske forbindelser til en kulstof nanorørs overflade, forskere kan skabe lokale energibrønde, der "fanger" excitonerne. Brøndene sænker excitonernes energitilstand. Dette forhindrer tab af deres energi som varme og styrer farven på det lys, de udsender.

Små, men dybtgående forbedringer driver hver generation af gennembrud inden for optisk telekommunikation. Nye komponentmaterialer gør det muligt for enheder at være mindre, mere effektivt, og mere præcis. Imidlertid, disse materialer fungerer bedst, når forskere designer og bygger dem af byggesten i nanoskala. Disse små byggeklodser er kun milliardtedele af en meter brede. Disse materialer giver lysere, mere kontrolleret lysudsendelse, der er tættere på det infrarøde spektrum, der kræves til telekommunikation.

Nanorør er hule cylindre af hexagonalt bundne carbonplader, der kun er et atom tykke. Deres elektriske, elastik, termisk, og optiske egenskaber er særligt interessante for avancerede telekommunikationsmaterialer. Udfordringen har været, at enkeltvæggede kulstofnanorør har tendens til at udsende lys ineffektivt og i den mindre anvendelige blå ende af lysbølgespektret. Disse faktorer gør dem mindre egnede til telekommunikation. Ineffektiviteten stammer fra den hurtige bevægelse af exciterede elektroner (eller "excitoner") hen over overfladen af ​​nanorørene. Disse excitoner henfalder og mister deres energi som varme, når de støder på naturlige strukturelle defekter på overfladen. Optisk nyttige exciterede nanorør skal derfor minimere produktionen af ​​varme, maksimere lysudsendelsen, og producere lys tættere på det infrarøde telekommunikationsrelevante spektrum. Ved at knytte specifikke kemiske grupper til overfladen af ​​nanorøret ændres det potentielle energilandskab ved at skabe "energibrønde" langs overfladen af ​​nanorøret. Brøndene tiltrækker de fritsvævende overfladeexcitoner og fanger dem i områder på få nanometer lange. Fordi de exciterede elektroner ikke kan bevæge sig frit, de er "tvunget" til at frigive energi som lys frem for varme. De fangede excitoner har også en lavere energitilstand, som "rødforskyder" de udsendte lysbølger tættere på den ønskede infrarøde del af spektret.

I dette studie, forskere fra Center for Integrated Nanotechnologies, en brugerfacilitet for Department of Energy (DOE) Office of Science, og deres medforfattere testede tre nye typer kemiske grupper på enkeltvæggede kulstofnanorør. Forskerne skabte teoretiske modeller af strukturer i atomskala, der optimerede placeringen af ​​stabile kemiske bindinger for at maksimere den optiske emission af nanorørene. De verificerede resultaterne eksperimentelt, giver direkte bevis for, at de modificerede overflader forbedrede lysemissionen. Denne innovation vil hjælpe fremtidige teams til at skabe mere finjusterede optiske funktioner i kemisk modificerede nanorør.

Resultaterne blev offentliggjort i Materialernes kemi .