科學家們已經(jīng)學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、更準確。然而，當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、彈性、熱學和光學特性對先進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它們在表面遇到自然結(jié)構(gòu)缺陷時作為熱量。因此，光學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”，將特定化學基團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。因為被激發(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) 科學用戶設(shè)施辦公室綜合納米技術(shù)中心的科學家及其合著者在單壁碳納米管上測試了三種新型化學基團。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)定化學鍵的位置，以最大化納米管的光發(fā)射。他們通過實驗驗證了結(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)新將幫助未來的團隊在化學改性的納米管中創(chuàng)建更精細的光學功能。

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