광학 활성 결함으로 탄소 나노튜브 개선: 하이델베르그 과학자들이 새로운 반응 경로로 결함 제어 달성

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sp2 탄소 원자들이 뭉쳐진 육각형 격자로 이루어진 탄소나노튜브의 광학적 특성은 결함을 통해 향상될 수 있다. 새로운 반응 경로를 통해 광학적으로 활성인 sp3 결함을 선택적으로 생성할 수 있습니다. 이는 실온에서도 근적외선으로 단일 광자를 방출할 수 있습니다. 크레딧 Simon Settele(하이델베르그)

요약 :
탄소 기반 나노물질의 특성은 특정 구조적 "불완전성" 또는 결함을 의도적으로 도입함으로써 변경 및 조작될 수 있습니다. 그러나 문제는 이러한 결함의 수와 유형을 제어하는 것입니다. 근적외선에서 빛을 방출하는 미세하게 작은 관형 화합물인 탄소 나노튜브의 경우 Jana Zaumseil 교수가 이끄는 하이델베르그 대학의 화학자와 재료 과학자들은 이제 그러한 결함 제어를 가능하게 하는 새로운 반응 경로를 시연했습니다. 이로 인해 소위 sp3 결함이라고 하는 특정 광학 활성 결함이 발생하는데, 이는 더 발광성이 있고 단일 광자, 즉 빛의 입자를 방출할 수 있습니다. 근적외선의 효율적인 방출은 통신 및 생물학적 이미징 응용 분야에 중요합니다.

광학적 활성 결함으로 탄소 나노 튜브 개선 : 하이델베르그 과학자들은 새로운 반응 경로로 결함 제어 달성

독일 하이델베르그 | 게시일: 9년 2021월 XNUMX일

일반적으로 결함은 재료의 특성에 부정적인 영향을 미쳐 덜 완벽하게 만드는 "나쁜" 것으로 간주됩니다. 그러나 탄소 나노튜브와 같은 특정 나노물질에서는 이러한 "불완전함"이 "좋은" 결과를 낳고 새로운 기능을 가능하게 할 수 있습니다. 여기서는 정확한 결함 유형이 중요합니다. 탄소 나노튜브는 벤젠에서도 발생하는 것처럼 sp2 탄소 원자의 육각형 격자가 말아올린 시트로 구성됩니다. 이 중공 튜브는 직경이 약 XNUMX나노미터이고 길이가 최대 수 마이크로미터입니다.

특정 화학 반응을 통해 격자의 몇 개의 sp2 탄소 원자가 sp3 탄소로 바뀔 수 있으며 이는 메탄이나 다이아몬드에서도 발견됩니다. 이는 탄소 나노튜브의 국부적인 전자 구조를 변화시키고 광학적으로 활성인 결함을 초래합니다. 이러한 sp3 결함은 근적외선에서 훨씬 더 많은 빛을 방출하며 기능화되지 않은 나노튜브보다 전반적으로 더 발광합니다. 탄소 나노튜브의 기하학적 구조로 인해 도입된 sp3 탄소 원자의 정확한 위치가 결함의 광학적 특성을 결정합니다. "안타깝게도 지금까지 어떤 결함이 형성되는지에 대한 통제가 거의 없었습니다"라고 하이델베르그 대학의 물리 화학 연구소 교수이자 첨단 재료 센터의 회원인 Jana Zaumseil은 말했습니다.

하이델베르그 과학자와 그녀의 팀은 최근 결함 제어와 특정 유형의 sp3 결함만 선택적으로 생성할 수 있는 새로운 화학 반응 경로를 시연했습니다. 이러한 광학 활성 결함은 이전에 소개된 "불완전함"보다 "더 좋습니다". 그들은 더 발광할 뿐만 아니라 실온에서 단일 광자 방출도 보여준다고 Zaumseil 교수는 설명합니다. 이 과정에서 한 번에 하나의 광자만 방출되는데, 이는 양자 암호화 및 고도로 안전한 통신의 전제 조건입니다.

Zaumseil 교수 연구 그룹의 박사 과정 학생이자 이러한 결과를 보고한 논문의 첫 번째 저자인 Simon Settele에 따르면 친핵성 추가인 이 새로운 기능화 방법은 매우 간단하며 특별한 장비가 필요하지 않습니다. “우리는 이제 막 잠재적인 응용 분야를 탐색하기 시작했습니다. 많은 화학적, 광물리학적 측면은 아직 알려지지 않았습니다. 하지만 목표는 더 나은 결함을 만드는 것입니다.”

이 연구는 Zaumseil 교수가 주도하고 유럽 연구 위원회(ERC)의 ERC 통합 보조금의 지원을 받는 "광전자공학을 위한 단일벽 탄소 나노튜브의 트리온 및 sp3-결함"(TRIFECTs) 프로젝트의 일부입니다. 그 목표는 탄소 나노튜브 결함의 전자적 및 광학적 특성을 이해하고 엔지니어링하는 것입니다.

“이러한 결함 사이의 화학적 차이는 미묘하며 원하는 결합 구성은 일반적으로 소수의 나노튜브에서만 형성됩니다. 특정 결함이 있고 결함 밀도가 제어된 나노튜브를 대량으로 생산할 수 있다는 것은 광전자 장치뿐만 아니라 전기적으로 펌핑되는 단일 광자 소스에 대한 길을 열어주며, 이는 양자 암호화의 미래 응용 분야에 필요합니다.”라고 Zaumseil 교수는 말합니다.

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또한 이 연구에는 뮌헨의 Ludwig Maximilian University와 뮌헨 양자 과학 기술 센터의 과학자들도 참여했습니다. 이번 연구 결과는 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 저널에 게재됐다.

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연락처 :
Jana Zaumseil 교수
49-622-154

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