碳納米管二價官能化的光學(xué)效應(yīng)
科學(xué)家們已經(jīng)學(xué)會了如何以原子級精度在新材料中放置晶體缺陷。這使得材料能夠控制激子——類似于亞原子粒子的能量載體。新的研究表明，通過將特定的化合物精確地附著在碳納米管表面，科學(xué)家們可以創(chuàng)造“捕獲”激子的局部能量井。這些井降低了激子的能量狀態(tài)。這可以防止它們以熱量的形式損失能量并控制它們發(fā)出的光的顏色。
小而深刻的改進(jìn)推動了光通信的每一代突破。新的組件材料使設(shè)備更小、更高效、更準(zhǔn)確。然而，當(dāng)研究人員從納米級構(gòu)建塊設(shè)計和構(gòu)建它們時，這些材料效果最好。這些微小的積木只有十億分之一米寬。這些材料提供更明亮、更可控的光發(fā)射，更接近電信所需的紅外光譜。
納米管是六角鍵合碳片的空心圓柱體，只有一個原子厚。它們的電學(xué)、彈性、熱學(xué)和光學(xué)特性對先進(jìn)的電信材料特別有吸引力。挑戰(zhàn)在于單壁碳納米管往往效率低下且在光波光譜的不太有用的藍(lán)色端發(fā)光。這些因素使它們不太適合電信。效率低下源于受激電子(或“激子”)在納米管表面上的快速移動。這些激子衰變并失去能量當(dāng)它們在表面遇到自然結(jié)構(gòu)缺陷時作為熱量。因此，光學(xué)有用的受激納米管必須最大限度地減少熱量的產(chǎn)生，最大限度地提高光發(fā)射，并產(chǎn)生更接近紅外通信相關(guān)光譜的光。通過在納米管表面形成“能量井”，將特定化學(xué)基團(tuán)連接到納米管表面可以改變勢能格局。這些井吸引自由漂浮的表面激子并將它們捕獲在幾納米長的區(qū)域中。因?yàn)楸患ぐl(fā)的電子不能自由移動，它們“被迫”以光而不是熱的形式釋放能量。被俘獲的激子還具有較低的能量狀態(tài)，它使發(fā)射的光波“紅移”更接近光譜的所需紅外部分。
在這項研究中，來自能源部 (DOE) 科學(xué)用戶設(shè)施辦公室綜合納米技術(shù)中心的科學(xué)家及其合著者在單壁碳納米管上測試了三種新型化學(xué)基團(tuán)。研究人員創(chuàng)建了原子級結(jié)構(gòu)的理論模型，優(yōu)化了穩(wěn)定化學(xué)鍵的位置，以最大化納米管的光發(fā)射。他們通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了結(jié)果，提供了改性表面改善光發(fā)射的直接證據(jù)。這項創(chuàng)新將幫助未來的團(tuán)隊在化學(xué)改性的納米管中創(chuàng)建更精細(xì)的光學(xué)功能。
標(biāo)簽： 碳納米管