Les défauts optiquement actifs améliorent les nanotubes de carbone : les scientifiques de Heidelberg parviennent à contrôler les défauts grâce à une nouvelle voie de réaction

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Les propriétés optiques des nanotubes de carbone, constitués d'un réseau hexagonal enroulé d'atomes de carbone sp2, peuvent être améliorées grâce à des défauts. Une nouvelle voie de réaction permet la création sélective de défauts sp3 optiquement actifs. Ceux-ci peuvent émettre des photons uniques dans le proche infrarouge même à température ambiante. CRÉDIT Simon Settele (Heidelberg)

Résumé:
Les propriétés des nanomatériaux à base de carbone peuvent être modifiées et modifiées par l'introduction délibérée de certaines « imperfections » ou défauts structurels. Le défi, cependant, est de contrôler le nombre et le type de ces défauts. Dans le cas des nanotubes de carbone - des composés tubulaires microscopiques qui émettent de la lumière dans le proche infrarouge - des chimistes et des scientifiques des matériaux de l'Université de Heidelberg dirigés par le professeur Jana Zaumseil ont maintenant démontré une nouvelle voie de réaction pour permettre un tel contrôle des défauts. Il en résulte des défauts optiquement actifs spécifiques - appelés défauts sp3 - qui sont plus luminescents et peuvent émettre des photons uniques, c'est-à-dire des particules de lumière. L'émission efficace de la lumière proche infrarouge est importante pour les applications dans les télécommunications et l'imagerie biologique.

Les défauts optiquement actifs améliorent les nanotubes de carbone: les scientifiques d'Heidelberg parviennent à contrôler les défauts avec une nouvelle voie de réaction

Heidelberg, Allemagne | Publié le 9 avril 2021

Habituellement, les défauts sont considérés comme quelque chose de "mauvais" qui affecte négativement les propriétés d'un matériau, le rendant moins parfait. Cependant, dans certains nanomatériaux comme les nanotubes de carbone, ces « imperfections » peuvent donner du « bien » et permettre de nouvelles fonctionnalités. Ici, le type précis de défauts est crucial. Les nanotubes de carbone sont constitués de feuilles enroulées d'un réseau hexagonal d'atomes de carbone sp2, comme on en trouve également dans le benzène. Ces tubes creux mesurent environ un nanomètre de diamètre et jusqu'à plusieurs micromètres de long.

Grâce à certaines réactions chimiques, quelques atomes de carbone sp2 du réseau peuvent être transformés en carbone sp3, que l'on trouve également dans le méthane ou le diamant. Cela modifie la structure électronique locale du nanotube de carbone et se traduit par un défaut optiquement actif. Ces défauts sp3 émettent de la lumière encore plus loin dans le proche infrarouge et sont globalement plus luminescents que des nanotubes non fonctionnalisés. En raison de la géométrie des nanotubes de carbone, la position précise des atomes de carbone sp3 introduits détermine les propriétés optiques des défauts. "Malheureusement, jusqu'à présent, il y a eu très peu de contrôle sur les défauts qui se forment", déclare Jana Zaumseil, professeur à l'Institut de chimie physique et membre du Center for Advanced Materials de l'Université de Heidelberg.

La scientifique de Heidelberg et son équipe ont récemment démontré une nouvelle voie de réaction chimique qui permet le contrôle des défauts et la création sélective d'un seul type spécifique de défaut sp3. Ces défauts optiquement actifs sont "meilleurs" que n'importe laquelle des "imperfections" introduites précédemment. Non seulement ils sont plus luminescents, mais ils présentent également une émission de photon unique à température ambiante, explique le professeur Zaumseil. Dans ce processus, un seul photon est émis à la fois, ce qui est une condition préalable à la cryptographie quantique et aux télécommunications hautement sécurisées.

Selon Simon Settele, doctorant dans le groupe de recherche du Pr Zaumseil et premier auteur de l'article rapportant ces résultats, cette nouvelle méthode de fonctionnalisation – une addition nucléophile – est très simple et ne nécessite aucun équipement particulier. « Nous commençons tout juste à explorer les applications potentielles. De nombreux aspects chimiques et photophysiques sont encore inconnus. Cependant, le but est de créer des défauts encore meilleurs.

Cette recherche fait partie du projet « Trions and sp3-Defects in Single-walled Carbon Nanotubes for Optoelectronics » (TRIFECTs), dirigé par le professeur Zaumseil et financé par une bourse ERC Consolidator du Conseil européen de la recherche (ERC). Son objectif est de comprendre et d'élaborer les propriétés électroniques et optiques des défauts des nanotubes de carbone.

« Les différences chimiques entre ces défauts sont subtiles et la configuration de liaison souhaitée n'est généralement formée que dans une minorité de nanotubes. Être capable de produire un grand nombre de nanotubes avec un défaut spécifique et avec des densités de défauts contrôlées ouvre la voie aux dispositifs optoélectroniques ainsi qu'aux sources de photons uniques à pompage électrique, qui sont nécessaires pour les futures applications en cryptographie quantique », déclare le professeur Zaumseil.

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Des scientifiques de l'Université Ludwig Maximilian de Munich et du Centre de Munich pour la science et la technologie quantiques ont également participé à cette recherche. Les résultats ont été publiés dans la revue "Nature Communications".

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

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