Optisch aktive Defekte verbessern Kohlenstoffnanoröhren: Heidelberger Wissenschaftler erreichen Defektkontrolle mit einem neuen Reaktionsweg

Neuauflage von Plato

Verfolger: 0

Startseite > Öffentlichkeitsarbeit/Presse > Optisch aktive Defekte verbessern Kohlenstoffnanoröhren: Heidelberger Wissenschaftler erreichen Defektkontrolle mit einem neuen Reaktionsweg

Die optischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren, die aus einem aufgerollten hexagonalen Gitter aus sp2-Kohlenstoffatomen bestehen, können durch Defekte verbessert werden. Ein neuer Reaktionsweg ermöglicht die selektive Erzeugung optisch aktiver sp3-Defekte. Diese können bereits bei Raumtemperatur einzelne Photonen im nahen Infrarot emittieren. CREDIT Simon Settele (Heidelberg)

Abstract:
Die Eigenschaften kohlenstoffbasierter Nanomaterialien können durch die absichtliche Einführung bestimmter struktureller „Unvollkommenheiten“ oder Defekte verändert und manipuliert werden. Die Herausforderung besteht jedoch darin, die Anzahl und Art dieser Mängel zu kontrollieren. Für Kohlenstoffnanoröhren – mikroskopisch kleine röhrenförmige Verbindungen, die Licht im nahen Infrarot emittieren – haben Chemiker und Materialwissenschaftler der Universität Heidelberg unter der Leitung von Prof. Dr. Jana Zaumseil nun einen neuen Reaktionsweg aufgezeigt, der eine solche Defektkontrolle ermöglicht. Dadurch entstehen bestimmte optisch aktive Defekte – sogenannte sp3-Defekte – die stärker lumineszierend sind und einzelne Photonen, also Lichtteilchen, aussenden können. Die effiziente Emission von Licht im nahen Infrarotbereich ist wichtig für Anwendungen in der Telekommunikation und der biologischen Bildgebung.

Optisch aktive Defekte verbessern Kohlenstoffnanoröhren: Heidelberger Wissenschaftler erreichen die Defektkontrolle mit einem neuen Reaktionsweg

Heidelberg, Deutschland | Gepostet am 9. April 2021

Normalerweise werden Mängel als etwas „Schlechtes“ angesehen, das sich negativ auf die Eigenschaften eines Materials auswirkt und es weniger perfekt macht. Bei bestimmten Nanomaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren können diese „Unvollkommenheiten“ jedoch zu etwas „Gutem“ führen und neue Funktionalitäten ermöglichen. Dabei kommt es auf die genaue Art der Mängel an. Kohlenstoffnanoröhren bestehen aus aufgerollten Schichten eines hexagonalen Gitters aus sp2-Kohlenstoffatomen, wie sie auch in Benzol vorkommen. Diese Hohlröhren haben einen Durchmesser von etwa einem Nanometer und eine Länge von bis zu mehreren Mikrometern.

Durch bestimmte chemische Reaktionen können einige sp2-Kohlenstoffatome des Gitters in sp3-Kohlenstoff umgewandelt werden, der auch in Methan oder Diamant vorkommt. Dadurch verändert sich die lokale elektronische Struktur der Kohlenstoffnanoröhre und es entsteht ein optisch aktiver Defekt. Diese sp3-Defekte emittieren Licht noch weiter im nahen Infrarot und sind insgesamt lumineszierender als nicht funktionalisierte Nanoröhren. Aufgrund der Geometrie von Kohlenstoffnanoröhren bestimmt die genaue Position der eingeführten sp3-Kohlenstoffatome die optischen Eigenschaften der Defekte. „Leider lässt sich bislang kaum kontrollieren, welche Defekte entstehen“, sagt Jana Zaumseil, Professorin am Institut für Physikalische Chemie und Mitglied des Center for Advanced Materials der Universität Heidelberg.

Die Heidelberger Wissenschaftlerin und ihr Team haben kürzlich einen neuen chemischen Reaktionsweg demonstriert, der eine Defektkontrolle und die selektive Erzeugung nur eines bestimmten Typs von sp3-Defekten ermöglicht. Diese optisch aktiven Defekte sind „besser“ als alle zuvor eingeführten „Unvollkommenheiten“. Sie sind nicht nur lumineszierender, sondern zeigen bei Raumtemperatur auch Einzelphotonenemission, erklärt Prof. Zaumseil. Dabei wird jeweils nur ein Photon emittiert, was eine Voraussetzung für Quantenkryptographie und hochsichere Telekommunikation ist.

Laut Simon Settele, Doktorand in der Forschungsgruppe von Prof. Zaumseil und Erstautor der Arbeit, die über diese Ergebnisse berichtet, ist diese neue Funktionalisierungsmethode – eine nukleophile Addition – sehr einfach und erfordert keine spezielle Ausrüstung. „Wir fangen gerade erst an, die möglichen Anwendungen zu erkunden. Viele chemische und photophysikalische Aspekte sind noch unbekannt. Ziel ist es jedoch, noch bessere Defekte zu schaffen.“

Diese Forschung ist Teil des Projekts „Trions and sp3-Defects in Single-walled Carbon Nanotubes for Optoelectronics“ (TRIFECTs), das von Prof. Zaumseil geleitet und durch einen ERC Consolidator Grant des European Research Council (ERC) finanziert wird. Ziel ist es, die elektronischen und optischen Eigenschaften von Defekten in Kohlenstoffnanoröhren zu verstehen und zu entwickeln.

„Die chemischen Unterschiede zwischen diesen Defekten sind subtil und die gewünschte Bindungskonfiguration wird normalerweise nur in einer Minderheit der Nanoröhren gebildet. „Die Möglichkeit, eine große Anzahl von Nanoröhren mit einem spezifischen Defekt und mit kontrollierter Defektdichte herzustellen, ebnet den Weg für optoelektronische Geräte sowie elektrisch gepumpte Einzelphotonenquellen, die für zukünftige Anwendungen in der Quantenkryptographie benötigt werden“, sagt Prof. Zaumseil.

###

An dieser Forschung waren auch Wissenschaftler der Ludwig-Maximilians-Universität München und des Munich Center for Quantum Science and Technology beteiligt. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

####

Für weitere Informationen - hier

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

Wenn Sie einen Kommentar haben, bitte Kontakt mit uns auf.

Emittenten von Pressemitteilungen, nicht 7th Wave, Inc. oder Nanotechnology Now, sind allein für die Richtigkeit des Inhalts verantwortlich.

Lesezeichen: