Chemici van de Universiteit van Oregon hebben een manier bedacht om de interne structuren van elektronische golven te zien die door externe elektrostatische ladingen in koolstofnanobuisjes zijn opgesloten.

Koolstofnanobuisjes zijn aangeprezen als uitzonderlijke materialen met unieke eigenschappen die extreem efficiënt lading- en energietransport mogelijk maken, met het potentieel om de weg vrij te maken voor nieuwe, efficiëntere soorten elektronische en fotovoltaïsche apparaten. Echter, deze vallen, of gebreken, in ultradunne nanobuisjes kunnen hun effectiviteit in gevaar brengen.

Met behulp van een speciaal gebouwde microscoop die in staat is materie op atomaire schaal in beeld te brengen, konden de onderzoekers vallen visualiseren, die de stroom van elektronen en elementaire energiepakketten, excitonen genaamd, nadelig kunnen beïnvloeden.

De studie, zei George V. Nazin, een professor in de fysische chemie, modelleerde het gedrag dat vaak wordt waargenomen in elektronische apparaten op basis van koolstofnanobuisjes, waar elektronische vallen worden geïnduceerd door stochastische externe ladingen in de onmiddellijke nabijheid van de nanobuisjes. De externe ladingen trekken elektronen aan en vangen ze op die zich door nanobuisjes voortplanten.

"Onze visualisatie zou nuttig moeten zijn voor de ontwikkeling van een nauwkeuriger beeld van elektronenvoortplanting door nanobuizen in toepassingen in de echte wereld, waar nanobuisjes altijd onderhevig zijn aan externe verstoringen die mogelijk kunnen leiden tot het ontstaan ​​van deze vallen, " hij zei.

Het onderzoek, gedetailleerd in een paper in de Journal of Physical Chemistry Letters , werd gedaan met een ultrahoog vacuüm scanning tunneling microscoop gekoppeld aan een gesloten cyclus cryostaat - een nieuw apparaat gebouwd voor gebruik in het laboratorium van Nazin. Dankzij de cryostaat konden Nazin en zijn co-auteurs Dmitry A. Kislitsyn en Jason D. Hackley, beide promovendi, om de temperatuur te verlagen tot 20 Kelvin om alle bewegingen op nanoschaal te bevriezen, en visualiseer de interne structuren van objecten op nanoschaal.

Het apparaat legde de interne structuur vast van elektronische golven die vastzaten in korte secties, slechts enkele nanometers lang, van nanobuisjes gedeeltelijk opgehangen boven een atomair vlak gouden oppervlak. De eigenschappen van de golven, grotendeels, Nazin zei, elektronentransmissie door dergelijke elektronische vallen te bepalen. De voortplantende elektronen moeten in resonantie zijn met de gelokaliseerde golven om een ​​efficiënte elektronische transmissie te laten plaatsvinden.

"Verbazingwekkend, door de energieën van voortplantende elektronen fijn af te stemmen, we hebben gevonden dat, naast deze resonantietransmissiekanalen, andere resonanties zijn ook mogelijk, met energieën die overeenkomen met die van specifieke trillingen in koolstofnanobuisjes, " zei hij. "Deze nieuwe transmissiekanalen komen overeen met 'vibronische' resonanties, waar gevangen elektronische golven trillingen van koolstofatomen opwekken die de elektronische val vormen."

De microscoop die het team gebruikte, wordt afzonderlijk beschreven in een vrij verkrijgbaar document (High-stability cryogene scanning tunneling microscope gebaseerd op een gesloten-cyclus cryostaat) online geplaatst op 7 oktober door het tijdschrift Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten .