Koolstofnanobuisjes hebben het potentieel om te functioneren als lichtemitterende apparaten, wat zou kunnen leiden tot een verscheidenheid aan nanofotonica-toepassingen. Echter, nanobuisjes hebben momenteel een lage kwantumopbrengst voor luminescentie, meestal rond de 1%, die wordt beperkt door hun eendimensionale aard. In een nieuwe studie, wetenschappers hebben aangetoond dat het kunstmatig wijzigen van de dimensionaliteit van koolstofnanobuizen door ze te doteren met nuldimensionale toestanden hun helderheid tot 18% kan verhogen. De bevindingen kunnen leiden tot de ontwikkeling van nanofotonica-apparaten, zoals een nabij-infrarood enkel-fotonzender die bij kamertemperatuur werkt.

De onderzoekers, Yuhei Miyauchi, et al., hebben hun paper over het wijzigen van de dimensionaliteit van koolstofnanobuisjes gepubliceerd in een recent nummer van Natuurfotonica .

Onder een aangelegde elektrische stroom of lichtinstraling, geëxciteerde elektronen en gaten (positief geladen locaties waar elektronen ontbreken) ontstaan, en koolstofnanobuisjes zenden bijna-infrarood licht uit. In dit proces, geëxciteerde elektronen en gaten vormen gebonden toestanden die excitonen worden genoemd, en een foton wordt uitgezonden als gevolg van de recombinatie van een elektron en een gat tijdens dit proces.

Zoals de onderzoekers uitleggen, de helderheid van een nanobuis, of luminescentie kwantumopbrengst, wordt bepaald door de balans tussen de stralings- en niet-stralingsvervalsnelheden van de excitonen. In nanobuisjes, niet-stralingsverval domineert, wat resulteert in een lage luminescentie. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat dit niet-stralingsverval voornamelijk te wijten is aan de snelle botsing tussen excitonen en nanobuisdefecten, die blussen, of onderdrukken, de excitonen. Er zijn pogingen gedaan om het uitdoven van defecten van de excitonen te verminderen, met wisselend succes.

Echter, niet alle defecten doven excitonen. Zoals de wetenschappers uitleggen, defecten met bepaalde elektronische structuren kunnen excitonen opvangen en omzetten in fotonen met een zeer hoge stralingsvervalsnelheid, mogelijk zelfs hoger dan de intrinsieke snelheid van de excitonen. Deze gunstige defecten functioneren als nuldimensionale toestanden, en de wetenschappers zagen ze als een kans om de luminescentie van nanobuisjes te verbeteren.

Bij experimenten, de onderzoekers doopten de koolstofnanobuisjes spaarzaam met zuurstofatomen, die fungeren als nul-dimensie-achtige toestanden ingebed in de eendimensionale nanobuisjes. Ze vonden dat, op kamertemperatuur, excitonen in de nul-dimensie-achtige toestanden kunnen een luminescentie kwantumopbrengst van 18% bereiken, een orde van grootte groter dan de 1% waarde van die in eendimensionale nanobuisjes. De onderzoekers schrijven deze verbetering toe aan mechanismen die de niet-stralingsvervalsnelheid verminderen en de stralingsvervalsnelheid verhogen, en voorspellen dat de luminescentie verder kan worden verbeterd.

"We denken dat de luminescentie verder kan worden verhoogd als we een betere lokale atomaire structuur van een kunstmatige nuldimensionale toestand kunnen vinden, "Miyauchi, een onderzoeker aan de Universiteit van Kyoto en het Japan Science and Technology Agency, vertelde Phys.org . "Op dit punt, onze nuldimensionale staat heeft een lager gelegen donkere staat net onder de heldere staat, wat resulteert in een reductie van ongeveer 50% van de kwantumopbrengst bij kamertemperatuur. Als men een betere lokale structuur kan vinden, we verwachten dat het mogelijk is om deze donkere staat onder de heldere staat te verwijderen. Vervolgens, we verwachten een verdere toename van de luminescentieopbrengst van excitonen in de lokale staat."

In de toekomst, de onderzoekers hopen dat de resultaten verder onderzoek naar nul-dimensionale-een-dimensionale hybride systemen zullen stimuleren, met betrekking tot toepassingen en de fundamentele fysica achter de systemen.

"We zijn van plan een meer geavanceerde techniek te ontwikkelen om slechts één nuldimensionale toestand te genereren in een enkele gesuspendeerde koolstofnanobuis die is verbonden met elektroden, die nodig is om een ​​echte nabij-infrarode enkel-fotonzender te ontwikkelen die bij kamertemperatuur kan werken met behulp van koolstofnanobuisjes, " Zei Miyauchi. "We zijn ook van plan te proberen laseren te bereiken met dit materiaal. Hoewel het als zeer moeilijk werd beschouwd om laserstraling te bereiken met behulp van koolstofnanobuizen als versterkingsmedia vanwege het zeer snelle niet-stralingsverval als gevolg van snelle botsingen tussen excitonen onder een sterk excitatieregime, we geloven dat het mogelijk zou zijn om nuldimensionale toestanden in koolstofnanobuisjes te gebruiken, omdat excitonen in nuldimensionale toestanden botsingen met andere excitonen zouden vermijden.

"Onze bevindingen kunnen ook leiden tot de fabricage van nabij-infrarode LED's of lasers die volledig van koolstof zijn. Nabij-infraroodlichtbronnen zijn erg belangrijk voor telecommunicatie met optische vezels. Meestal heb je kleine metalen nodig zoals In, ga, en als, om lichtemitters voor dit golflengtebereik te fabriceren. If one can make efficient light sources using only abundant carbon and without any minor metals, it would be very nice from the viewpoint of the resource problem.

"We are also very interested in the fundamental physics in these nice hybrid low-dimensional nanostructures, and we will explore another more interesting physics in them that possibly emerges from the interactions between the states with different dimensions in the same nanostructures."

© 2013 Fys.org. Alle rechten voorbehouden.