Optisch actieve defecten verbeteren koolstofnanobuizen: wetenschappers van Heidelberg bereiken defectcontrole met een nieuw reactiepad

Heruitgegeven door Plato

volgers: 0

Home > Media > Optisch actieve defecten verbeteren koolstofnanobuisjes: wetenschappers van Heidelberg bereiken defectcontrole met een nieuw reactiepad

De optische eigenschappen van koolstofnanobuisjes, die bestaan uit een opgerold zeshoekig rooster van sp2-koolstofatomen, kunnen worden verbeterd door defecten. Een nieuw reactiepad maakt de selectieve creatie van optisch actieve sp3-defecten mogelijk. Deze kunnen zelfs bij kamertemperatuur enkele fotonen in het nabij-infrarood uitzenden. CREDIT Simon Settele (Heidelberg)

Abstract:
De eigenschappen van op koolstof gebaseerde nanomaterialen kunnen worden gewijzigd en ontwikkeld door de opzettelijke introductie van bepaalde structurele "imperfecties" of defecten. De uitdaging is echter om het aantal en het type van deze defecten te controleren. In het geval van koolstofnanobuisjes - microscopisch kleine buisvormige verbindingen die licht uitstralen in het nabije infrarood - hebben chemici en materiaalwetenschappers van de Universiteit van Heidelberg onder leiding van prof. dr. Jana Zaumseil nu een nieuw reactiepad aangetoond om dergelijke defectcontrole mogelijk te maken. Het resulteert in specifieke optisch actieve defecten - zogenaamde sp3-defecten - die meer luminescent zijn en enkele fotonen kunnen uitzenden, dat wil zeggen lichtdeeltjes. De efficiënte emissie van nabij-infrarood licht is belangrijk voor toepassingen in telecommunicatie en biologische beeldvorming.

Optisch actieve defecten verbeteren koolstofnanobuisjes: wetenschappers van Heidelberg bereiken defectcontrole met een nieuw reactiepad

Heidelberg, Duitsland | Geplaatst op 9 april 2021

Gewoonlijk worden defecten beschouwd als iets "slechts" dat de eigenschappen van een materiaal negatief beïnvloedt, waardoor het minder perfect wordt. In bepaalde nanomaterialen, zoals koolstofnanobuisjes, kunnen deze "imperfecties" echter resulteren in iets "goeds" en nieuwe functionaliteiten mogelijk maken. Hier is het precieze type defecten cruciaal. Koolstofnanobuisjes bestaan uit opgerolde vellen van een zeshoekig rooster van sp2-koolstofatomen, zoals ze ook in benzeen voorkomen. Deze holle buisjes hebben een diameter van ongeveer een nanometer en zijn tot enkele micrometers lang.

Door bepaalde chemische reacties kunnen enkele sp2-koolstofatomen van het rooster worden omgezet in sp3-koolstof, dat ook voorkomt in methaan of diamant. Dit verandert de lokale elektronische structuur van de koolstofnanobuis en resulteert in een optisch actief defect. Deze sp3-defecten stralen nog verder licht uit in het nabij-infrarood en zijn over het algemeen meer luminescerend dan nanobuisjes die niet zijn gefunctionaliseerd. Vanwege de geometrie van koolstofnanobuisjes bepaalt de precieze positie van de geïntroduceerde sp3-koolstofatomen de optische eigenschappen van de defecten. "Helaas is er tot nu toe weinig controle geweest over welke defecten worden gevormd", zegt Jana Zaumseil, professor aan het Institute for Physical Chemistry en lid van het Center for Advanced Materials aan de Universiteit van Heidelberg.

De wetenschapper uit Heidelberg en haar team hebben onlangs een nieuwe chemische reactieroute gedemonstreerd die defectcontrole en het selectief creëren van slechts één specifiek type sp3-defect mogelijk maakt. Deze optisch actieve defecten zijn "beter" dan alle eerder geïntroduceerde "imperfecties". Ze zijn niet alleen luminescerender, ze vertonen ook emissie van één foton bij kamertemperatuur, legt prof. Zaumseil uit. Daarbij wordt slechts één foton tegelijk uitgezonden, wat een voorwaarde is voor kwantumcryptografie en zeer veilige telecommunicatie.

Volgens Simon Settele, een doctoraatsstudent in de onderzoeksgroep van prof. Zaumseil en de eerste auteur van het artikel dat deze resultaten rapporteert, is deze nieuwe functionaliseringsmethode – een nucleofiele toevoeging – heel eenvoudig en vereist geen speciale apparatuur. “We zijn nog maar net begonnen met het verkennen van de mogelijke toepassingen. Veel chemische en fotofysische aspecten zijn nog onbekend. Het doel is echter om nog betere defecten te creëren.”

Dit onderzoek maakt deel uit van het project "Trions and sp3-Defects in Single-walled Carbon Nanotubes for Optoelectronics" (TRIFECTs), geleid door Prof. Zaumseil en gefinancierd door een ERC Consolidator Grant van de European Research Council (ERC). Het doel is om de elektronische en optische eigenschappen van defecten in koolstofnanobuisjes te begrijpen en te ontwikkelen.

“De chemische verschillen tussen deze defecten zijn subtiel en de gewenste bindingsconfiguratie wordt meestal alleen gevormd in een minderheid van nanobuisjes. De mogelijkheid om grote aantallen nanobuisjes te produceren met een specifiek defect en met gecontroleerde defectdichtheden maakt de weg vrij voor zowel opto-elektronische apparaten als elektrisch gepompte enkelvoudige fotonenbronnen, die nodig zijn voor toekomstige toepassingen in kwantumcryptografie”, zegt prof. Zaumseil.

###

Ook betrokken bij dit onderzoek waren wetenschappers van de Ludwig Maximilian Universiteit van München en het Munich Center for Quantum Science and Technology. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

####

Voor meer informatie, klik hier

Kontakte:
prof. dr. Jana Zaumseil
49-622-154-5065

Auteursrecht © Universiteit van Heidelberg

Als u een opmerking heeft, alstublieft Neem contact op met ons op.

Uitgevers van nieuwsberichten, niet 7th Wave, Inc. of Nanotechnology Now, zijn zelf verantwoordelijk voor de juistheid van de inhoud.

Bladwijzer: