Optisk aktive defekter forbedrer kulstofnanorør: Heidelberg-videnskabsmænd opnår defektkontrol med en ny reaktionsvej

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Home > Presse > Optisk aktive defekter forbedrer kulstofnanorør: Heidelberg-forskere opnår defektkontrol med en ny reaktionsvej

De optiske egenskaber af carbon nanorør, som består af et sammenrullet sekskantet gitter af sp2 carbonatomer, kan forbedres gennem defekter. En ny reaktionsvej muliggør selektiv oprettelse af optisk aktive sp3-defekter. Disse kan udsende enkelte fotoner i det nær-infrarøde selv ved stuetemperatur. KREDIT Simon Settele (Heidelberg)

Abstract:
Egenskaberne af kulstofbaserede nanomaterialer kan ændres og konstrueres gennem den bevidste introduktion af visse strukturelle "ufuldkommenheder" eller defekter. Udfordringen er dog 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 vil sige lyspartikler. Den effektive emission af nær-infrarødt lys er vigtig for anvendelser inden for telekommunikation og biologisk billeddannelse.

Optisk aktive defekter forbedrer kulstofnanorør: Heidelberg-forskere opnår defektkontrol med en ny reaktionsvej

Heidelberg, Tyskland | Udgivet den 9. april 2021

Normalt betragtes defekter som noget "dårligt", der negativt påvirker et materiales egenskaber, hvilket gør det mindre perfekt. Men i visse nanomaterialer såsom kulstof nanorør kan disse "ufuldkommenheder" resultere i noget "godt" og muliggøre nye funktionaliteter. Her er den præcise type defekter afgørende. Kulstofnanorør består af sammenrullede plader af et sekskantet gitter af sp2 kulstofatomer, 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 kan nogle få sp2 kulstofatomer i gitteret omdannes til sp3 kulstof, 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 geometrien af carbonnanorør bestemmer den præcise position af de indførte sp3 carbonatomer defekternes optiske egenskaber. "Desværre har der indtil videre været meget lidt kontrol over, hvilke defekter der dannes," siger Jana Zaumseil, som 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, forklarer prof. Zaumseil. I denne proces udsendes kun én foton 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, er denne nye funktionaliseringsmetode – en nukleofil tilføjelse – meget enkel og kræver ikke noget særligt udstyr. "Vi er først lige begyndt at udforske de potentielle anvendelser. Mange kemiske og fotofysiske aspekter er stadig ukendte. Målet er dog 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 være i stand til at 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 anvendelser inden for kvantekryptografi,” siger prof. Zaumseil.

###

Også involveret i denne forskning var forskere fra Ludwig Maximilian Universitetet i München og München Center for Kvantevidenskab og Teknologi. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet "Nature Communications".

####

For mere information, klik link.

Kontaktpersoner:
Prof. Dr. Jana Zaumseil
49-622-154-5065

Hvis du har en kommentar, tak Kontakt os.

Udstedere af nyhedsudgivelser, ikke 7th Wave, Inc. eller Nanotechnology Now, er alene ansvarlige for indholdets nøjagtighed.

Bogmærke: