(Phys.org) —Ondanks hun bijna onbegrijpelijk kleine formaat - een diameter van ongeveer een tienduizendste van de dikte van een mensenhaar - zijn enkelwandige koolstofnanobuizen er in een overvloed aan verschillende "soorten, " elk met zijn eigen structuur en unieke combinatie van elektronische en optische eigenschappen. Het karakteriseren van de structuur en eigenschappen van een individuele koolstofnanobuis heeft tot nu toe veel giswerk met zich meegebracht.

Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de University of California (UC) Berkeley hebben een techniek ontwikkeld die kan worden gebruikt om de structuur van een individuele koolstofnanobuis te identificeren en de elektronische en optische eigenschappen in een functioneel apparaat.

"Met behulp van een nieuwe op polarisatie gebaseerde optische microscopie-opstelling met hoog contrast, we hebben beeldvorming met videosnelheid en in-situ spectroscopie van individuele koolstofnanobuisjes op verschillende substraten en in functionele apparaten gedemonstreerd, " zegt Feng Wang, een fysicus van de gecondenseerde materie bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. "Voor de eerste keer, we kunnen beelden en spectra maken van individuele nanobuisjes in een algemene omgeving, ook op substraten of in functionele apparaten, wat een geweldig hulpmiddel zou moeten zijn voor het bevorderen van nanobuistechnologie."

Wang, die ook een professor is bij de afdeling Natuurkunde van UC Berkeley, is de corresponderende auteur van een artikel waarin dit onderzoek in het tijdschrift wordt beschreven Natuur Nanotechnologie . Het artikel is getiteld "High-throughput optische beeldvorming en spectroscopie van individuele koolstofnanobuisjes in apparaten." Co-auteurs zijn Kaihui Liu, Xiaoping Hong, Qin Zhou, Chenhao Jin, Jinghua Li, Weiwei Zhou, Jie Liu, Enge Wang en Alex Zettl.

Een enkelwandige koolstofnanobuis kan van metaal of halfgeleidend zijn, afhankelijk van de exacte structuur. Halfgeleidende nanobuisjes kunnen zeer verschillende elektronische bandgaps hebben, wat resulteert in enorm verschillende elektronische of optische eigenschappen.

"Om veldeffectapparaten of opto-elektronische apparaten gemaakt van enkelwandige koolstofnanobuizen volledig te begrijpen, het is van cruciaal belang om te weten welke soort koolstofnanobuis zich in het apparaat bevindt, ", zegt Wang. "In het verleden, dergelijke informatie kon niet worden verkregen en onderzoekers moesten raden wat er aan de hand was."

De fysieke structuur en elektronische eigenschappen van elke afzonderlijke soort enkelwandige koolstofnanobuisjes worden bepaald door chiraliteit, wat betekent dat hun structuur een duidelijke links/rechts oriëntatie heeft of "handigheid, " die niet op een spiegelbeeld kan worden gelegd. het bereiken van chiraliteit-gecontroleerde groei van koolstofnanobuisjes en het begrijpen van de fysica achter chiraliteitsafhankelijke apparaten zijn twee van de grootste uitdagingen in nanobuisonderzoek.

"Op polarisatie gebaseerde optische microscopie- en spectroscopietechnieken zijn zeer geschikt om deze uitdagingen aan te gaan, aangezien gepolariseerd licht extreem gevoelig is voor optische anisotropie in een systeem en al lang wordt gebruikt om chiraliteit in moleculen en kristallen te bestuderen, ", zegt Wang. "Echter, het kleine signaal en de onvermijdelijke omgevingsachtergrond hebben het moeilijk gemaakt om gepolariseerde optische microscopie te gebruiken om nanobuisjes van enkele koolstof te bestuderen."

Moeilijkheden komen voort uit een schijnbare tegenstrijdigheid in optische microscopie op basis van polarisatie. Voor elke optische microscoop, een groot numeriek diafragma (NA) objectief is cruciaal voor een hoge ruimtelijke resolutie, maar gepolariseerd licht dat door een groot NA-objectief gaat, wordt sterk gedepolariseerd. Met hun nieuwe techniek, Wang en zijn collega's waren in staat om te doen wat nog niet eerder is gedaan en tegelijkertijd zowel een hoge polarisatie als een hoge ruimtelijke resolutie te bereiken.

"De sleutel tot ons succes was het besef dat lichtverlichting en lichtverzameling afzonderlijk kunnen worden geregeld, Wang zegt. "We gebruikten een groot NA-objectief voor lichtverzameling om een ​​hoge ruimtelijke resolutie te verkrijgen, maar waren in staat om een ​​effectief klein NA-objectief voor verlichting te creëren om een ​​hoge polarisatiezuiverheid te behouden."

In hun opstelling Wang en zijn collega's verzamelden met nanobuisjes verstrooid gepolariseerd licht met een objectief van 0,8 NA, maar gebruikten een veel smallere invallende bundel om verlichtingslicht te creëren van een supercontinuümlaser met een veel kleinere NA. Het resultaat was een polarisatie die een orde van grootte hoger was dan wat is bereikt met conventionele gepolariseerde microscopie en ruimtelijke resolutie op nanoschaal. Dit stelde hen in staat om volledige chiraliteitsprofielen te verkrijgen van honderden als gegroeide koolstofnanobuisjes, en om in-situ monitoring uit te voeren in actieve veldeffectapparaten.

"We hebben waargenomen dat optische resonanties van nanobuizen van hoge orde dramatisch worden verbreed door elektrostatische doping, een onverwacht gedrag dat wijst op sterke inter-band elektron-elektron verstrooiingsprocessen die de ultrasnelle dynamiek van aangeslagen toestanden in koolstofnanobuizen domineren, "zegt Wang.

Naast individuele enkelwandige koolstofnanobuisjes, Wang en zijn collega's zeggen dat hun techniek ook kan worden gebruikt om het optische contrast van andere anisotrope materialen van nanoformaat die "onzichtbaar" zijn voor conventionele optische microscopen, aanzienlijk te verbeteren. inclusief grafeen nanoribbons, halfgeleider nanodraden en nanostaafjes, en nanobiomaterialen zoals actinefilamenten.