Door de afmetingen en andere kenmerken van koolstofnanobuisjes aan te passen, kan de hoeveelheid licht die ze uitstralen aanzienlijk toenemen. hebben drie natuurkundigen van RIKEN ontdekt. Deze bevinding belooft te leiden tot de ontwikkeling van zeer efficiënte fotonische apparaten.

Koolstofnanobuisjes zijn kleine cilinders met een diameter van slechts een nanometer tot enkele nanometers, maar kunnen tot enkele micrometers lang zijn. Hun uitstekende elektronische en mechanische eigenschappen maken ze aantrekkelijk voor gebruik in energiezuinige apparaten. Vooral, een defect in de anders zuivere atomaire koolstofstructuren van nanobuizen kan enkele fotonen van licht uitzenden - een essentieel onderdeel voor veel apparaten op nanoschaal die nodig zijn voor kwantumberekening en communicatie.

In een typisch lichtgevend apparaat, laserlicht of een elektrisch veld creëert elektronenparen en gaten die bekend staan ​​als excitonen. Enige tijd later, het elektron en het gat recombineren en het exciton annihileert. Afhankelijk van de symmetrie van het exciton, annihilatie kan resulteren in de emissie van licht of niet.

Ongeveer de helft van de gecreëerde excitonen is helder, terwijl de andere helft donker is en recombineert zonder licht uit te zenden. Sommige donkere excitonen kunnen heldere excitonen worden en vervolgens licht uitstralen bij vernietiging. Maar koolstofnanobuisjes hebben meestal een lage lichtopbrengst, vooral omdat donkere excitonen vaak recombineren voordat ze in heldere excitonen kunnen veranderen.

Nutsvoorzieningen, Yuichiro Kato en twee collega's, allemaal in het RIKEN Nanoscale Quantum Photonics Laboratory, hebben ontdekt dat door de specificaties van de nanobuisjes aan te passen, meer dan de helft van de donkere excitonen kan worden omgezet in heldere, waardoor de lichtopbrengst van de nanobuisjes aanzienlijk wordt verbeterd (Fig. 1).

De onderzoekers voerden in de tijd opgeloste luminescentiemetingen uit op een reeks koolstofnanobuisjes. Door de in de tijd opgeloste luminescentiesporen te passen met een model, ze ontdekten dat de conversieratio tussen donkere en heldere excitonen afhangt van de lengte, diameter en chiraliteit van de nanobuisjes. De drie onderzoekers schatten dat in langere nanobuisjes, de conversiesnelheid van donkere naar heldere excitonen was zo hoog dat meer dan de helft van de donkere excitonen bijdroeg aan de totale luminescentie.

"Deze bevindingen tonen aan dat donkere excitonen de emissiekinetiek in laagdimensionale materialen zoals nanobuisjes aanzienlijk kunnen beïnvloeden, "zegt Kato. "Ze wijzen dus op het potentieel van het gebruik van oppervlakte-interacties om het conversieproces van donker naar helder te ontwikkelen."

Het team is nu van plan om het potentieel te onderzoeken om dit effect te benutten. "We zijn geïnteresseerd in het gebruik van dit efficiënte conversieproces om koolstof-nanobuis single-photon emitters te verkrijgen die betere prestaties hebben, " zegt Kato.