光学活性欠陥がカーボンナノチューブを改善: ハイデルベルグの科学者が新しい反応経路で欠陥制御を達成

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sp2 炭素原子の巻き上がった六方格子からなるカーボンナノチューブの光学特性は、欠陥によって改善できます。新しい反応経路により、光学活性な sp3 欠陥の選択的な作成が可能になります。これらは室温でも近赤外線の単一光子を放出できます。クレジットシモン・セテレ (ハイデルベルク)

要約：
カーボンベースのナノマテリアルの特性は、特定の構造的な「欠陥」または欠陥を意図的に導入することによって変更および操作することができます。ただし、課題は、これらの欠陥の数と種類を制御することです。カーボンナノチューブ（近赤外線で発光する微視的に小さな管状化合物）の場合、ヤナ・ザウムセイル教授率いるハイデルベルク大学の化学者と材料科学者は、このような欠陥制御を可能にする新しい反応経路を実証した。その結果、特定の光学活性欠陥、いわゆる sp3 欠陥が生じ、より発光性が高く、単一光子、つまり光の粒子を放出することができます。近赤外光の効率的な放射は、通信や生物学的イメージングの用途にとって重要です。

光学活性欠陥はカーボンナノチューブを改善します：ハイデルベルクの科学者は新しい反応経路で欠陥制御を達成します

ハイデルベルク、ドイツ |投稿日: 9 年 2021 月 XNUMX 日

通常、欠陥は材料の特性に悪影響を及ぼし、材料の完全性を低下させる「悪い」ものとみなされます。ただし、カーボンナノチューブなどの特定のナノマテリアルでは、これらの「欠陥」が「良い」ものを生み出し、新しい機能を可能にすることがあります。ここでは、欠陥の正確な種類が重要です。カーボンナノチューブは、ベンゼンにも含まれるように、sp2 炭素原子の六方格子を丸めたシートで構成されています。これらの中空管は直径約 XNUMX ナノメートル、長さは最大数マイクロメートルです。

特定の化学反応を通じて、格子のいくつかの sp2 炭素原子が sp3 炭素に変わることがあり、これはメタンやダイヤモンドにも含まれます。これにより、カーボンナノチューブの局所的な電子構造が変化し、光学的に活性な欠陥が生じます。これらの sp3 欠陥は、近赤外線でさらに発光し、機能化されていないナノチューブよりも全体的に発光性が高くなります。カーボンナノチューブの形状により、導入された sp3 炭素原子の正確な位置が欠陥の光学特性を決定します。「残念ながら、これまでのところ、どのような欠陥が形成されるかを制御することはほとんどできていません」と物理化学研究所の教授であり、ハイデルベルク大学先端材料センターのメンバーでもあるヤナ・ザウムセイル氏は言う。

ハイデルベルグの科学者とそのチームは最近、欠陥制御と特定の 3 種類の spXNUMX 欠陥のみの選択的作成を可能にする新しい化学反応経路を実証しました。これらの光学的に活性な欠陥は、以前に導入されたどの「欠陥」よりも「優れています」。それらは発光性が高いだけでなく、室温でも単一光子発光を示すとザウムセイル教授は説明する。このプロセスでは、一度に放出される光子は XNUMX つだけですが、これは量子暗号と安全性の高い通信の前提条件です。

ザウムセイル教授の研究グループの博士課程の学生であり、これらの結果を報告する論文の筆頭著者であるサイモン・セテレ氏によると、この新しい官能基化方法（求核付加）は非常に簡単で、特別な装置を必要としません。「私たちは潜在的なアプリケーションの探索を始めたばかりです。多くの化学的および光物理的側面はまだ不明です。ただし、目標はさらに優れた欠陥を作成することです。」

この研究は、ザウムザイル教授が主導し、欧州研究評議会（ERC）のERC Consolidator Grantによって資金提供されたプロジェクト「オプトエレクトロニクスのための単層カーボンナノチューブのトリオンとsp3欠陥」（TRIFECTs）の一部である。その目標は、カーボンナノチューブの欠陥の電子的および光学的特性を理解し、設計することです。

「これらの欠陥間の化学的な違いは微妙であり、望ましい結合構成は通常、少数のナノチューブでのみ形成されます。特定の欠陥を持ち、欠陥密度が制御されたナノチューブを大量に製造できるようになったことで、量子暗号の将来の応用に必要となる光電子デバイスや電気励起単一光子源への道が開かれる」とザウムセイル教授は言う。

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この研究には、ミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学とミュンヘン量子科学技術センターの科学者も参加しました。結果は「Nature Communications」誌に掲載された。

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コンタクト：
ヤナ・ザウムセイル教授
49-622-154

著作権 © ハイデルベルク大学

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