光学活性缺陷改善碳纳米管：海德堡科学家通过新反应途径实现缺陷控制

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碳纳米管由卷起的 sp2 碳原子六方晶格组成，其光学性能可以通过缺陷得到改善。一种新的反应途径能够选择性地产生光学活性 sp3 缺陷。即使在室温下，它们也可以发射近红外单光子。图片来源：Simon Settele（海德堡）

摘要：
碳基纳米材料的特性可以通过故意引入某些结构“缺陷”或缺陷来改变和设计。然而，挑战在于控制这些缺陷的数量和类型。以碳纳米管（一种在近红外范围内发光的微观管状化合物）为例，Jana Zaumseil 教授领导的海德堡大学化学家和材料科学家现已展示了一种新的反应途径，可以实现这种缺陷控制。它会产生特定的光学活性缺陷，即所谓的 sp3 缺陷，这种缺陷更容易发光，并且可以发射单光子，即光粒子。近红外光的有效发射对于电信和生物成像应用非常重要。

光学活性缺陷改善了碳纳米管：海德堡的科学家通过新的反应途径实现了缺陷控制

德国海德堡 |发表于 9 年 2021 月 XNUMX 日

通常缺陷被认为是“坏”的东西，会对材料的性能产生负面影响，使其不太完美。然而，在某些纳米材料（例如碳纳米管）中，这些“缺陷”可能会带来“好的”结果并实现新的功能。在这里，缺陷的精确类型至关重要。碳纳米管由卷起的 sp2 碳原子六方晶格片组成，就像它们也存在于苯中一样。这些中空管的直径约为一纳米，长度可达几微米。

通过某些化学反应，晶格中的一些sp2碳原子可以转变成sp3碳，这种碳也存在于甲烷或金刚石中。这改变了碳纳米管的局部电子结构并导致光学活性缺陷。这些 sp3 缺陷在近红外范围内发射的光甚至更远，并且总体上比未功能化的纳米管更发光。由于碳纳米管的几何形状，引入的sp3碳原子的精确位置决定了缺陷的光学性质。海德堡大学物理化学研究所教授兼先进材料中心成员 Jana Zaumseil 表示：“不幸的是，到目前为止，人们对缺陷的形成几乎没有控制。”

海德堡科学家和她的团队最近展示了一种新的化学反应途径，可以实现缺陷控制并选择性地仅产生一种特定类型的 sp3 缺陷。这些光学活性缺陷比之前引入的任何“缺陷”都“更好”。 Zaumseil 教授解释说，它们不仅更发光，而且在室温下也显示出单光子发射。在此过程中，一次仅发射一个光子，这是量子密码学和高度安全的电信的先决条件。

Zaumseil 教授研究小组的博士生、报告这些结果的论文的第一作者 Simon Settele 表示，这种新的功能化方法（亲核加成）非常简单，不需要任何特殊设备。 “我们才刚刚开始探索潜在的应用。许多化学和光物理方面仍然未知。然而，我们的目标是创造更好的缺陷。”

这项研究是“光电用单壁碳纳米管中的 Trions 和 sp3 缺陷”(TRIFECTs) 项目的一部分，该项目由 Zaumseil 教授领导，并由欧洲研究理事会 (ERC) 的 ERC Consolidator Grant 资助。其目标是了解和设计碳纳米管缺陷的电子和光学特性。

“这些缺陷之间的化学差异是微妙的，所需的结合构型通常仅在少数纳米管中形成。能够生产大量具有特定缺陷和受控缺陷密度的纳米管，为光电器件以及电泵单光子源铺平了道路，这是未来量子密码学应用所需要的，”Zaumseil 教授说。

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参与这项研究的还有慕尼黑路德维希马克西米利安大学和慕尼黑量子科学技术中心的科学家。研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

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联系方式：
Jana Zaumseil 教授、博士
49-622-154-5065

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