En 2D-antenne øger lysemissionen fra kulstofnanorør

Et fladt ark af atomer kan fungere som en slags antenne, der absorberer lys og tragter dets energi ind i kulstof nanorør, hvilket får dem til at lyse klart. Dette fremskridt kunne hjælpe med udviklingen af ​​små fremtidige lysemitterende enheder, der vil udnytte kvanteeffekter.

Carbon nanorør ligner meget tynde, hule ledninger med en diameter på kun en nanometer eller deromkring. De kan generere lys på forskellige måder. For eksempel kan en laserimpuls excitere negativt ladede elektroner i materialet og efterlade positivt ladede "huller". Disse modsatte ladninger kan parre sig for at danne en energisk tilstand kendt som en exciton, som kan bevæge sig relativt langt langs et nanorør, før den frigiver sin energi som lys.

I princippet kunne dette fænomen udnyttes til at lave højeffektive lysemitterende enheder på nanoskala.

Desværre er der tre forhindringer for at bruge en laser til at generere excitoner i kulstofnanorør. For det første er en laserstråle typisk 1.000 gange bredere end et nanorør, så meget lidt af dens energi absorberes faktisk af materialet. For det andet skal lysbølgerne flugte perfekt med nanorøret for at levere deres energi effektivt. Endelig kan elektronerne i et kulstofnanorør kun absorbere meget specifikke bølgelængder af lys.

For at overvinde disse begrænsninger henvendte et hold ledet af Yuichiro Kato fra RIKEN Nanoscale Quantum Photonics Laboratory til en anden klasse af nanomaterialer, kendt som 2D-materialer. Disse flade ark er kun et par atomer tykke, men de kan være meget bredere end en laserstråle og er langt bedre til at konvertere laserimpulser til excitoner.

Forskerne dyrkede kulstofnanorør over en rende udskåret af et isolerende materiale. De placerede derefter en atomisk tynd flage af wolframdiselenid oven på nanorørene. Når laserimpulser ramte denne flage, genererede de excitoner, der bevægede sig ind i nanorøret og langs dets længde, før de frigav lys med en længere bølgelængde end laseren. Det tog kun en trilliontedel af et sekund for hver exciton at passere fra 2D-materialet ind i nanorøret.

Artiklen er publiceret i tidsskriftet Nature Communications .

Ved at teste nanorør med en række forskellige strukturer, der påvirker afgørende energiniveauer i materialet, identificerede forskerne ideelle nanorørformer, der letter overførslen af ​​excitoner fra 2D-materialet.

Baseret på dette resultat har de til hensigt at bruge båndteknik - et nyttigt koncept inden for halvledende konstruktion til at realisere enheder med overlegne egenskaber - i den atomare tynde skala. "Når båndteknik anvendes på lavdimensionelle halvledere, forventes nye fysiske egenskaber og innovative funktionaliteter at dukke op," siger Kato.

"Vi håber at bruge dette koncept til at udvikle fotoniske og optoelektroniske enheder, der kun er nogle få atomlag tykke," tilføjer Kato. "Hvis vi kan krympe dem til den atomare tynde grænse, forventer vi, at der opstår nye kvanteeffekter, som kan blive nyttige for fremtidige kvanteteknologier."

Flere oplysninger: N. Fang et al., Resonant exciton-overførsel i blandede-dimensionelle heterostrukturer for at overvinde dimensionsbegrænsninger i optiske processer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43928-2

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af RIKEN