Wetenschap
Een 2D-antenne verhoogt de lichtemissie van koolstofnanobuisjes
Een plat vel atomen kan fungeren als een soort antenne die licht absorbeert en de energie ervan naar koolstofnanobuisjes stuurt, waardoor ze helder gaan gloeien. Deze vooruitgang zou kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van kleine toekomstige lichtgevende apparaten die gebruik zullen maken van kwantumeffecten.
Koolstofnanobuisjes lijken op zeer dunne, holle draden met een diameter van slechts een nanometer of zo. Ze kunnen op verschillende manieren licht genereren. Een laserpuls kan bijvoorbeeld negatief geladen elektronen in het materiaal opwekken, waardoor positief geladen "gaten" achterblijven. Deze tegengestelde ladingen kunnen zich paren en een energetische toestand vormen die bekend staat als een exciton. Deze toestand kan zich relatief ver langs een nanobuisje verplaatsen voordat de energie ervan als licht vrijkomt.
In principe zou dit fenomeen kunnen worden benut om zeer efficiënte lichtgevende apparaten op nanoschaal te maken.
Helaas zijn er drie obstakels voor het gebruik van een laser om excitonen in koolstofnanobuisjes te genereren. Ten eerste is een laserstraal doorgaans 1000 keer breder dan een nanobuisje, waardoor maar heel weinig energie daadwerkelijk door het materiaal wordt geabsorbeerd. Ten tweede moeten de lichtgolven perfect op één lijn liggen met de nanobuis om hun energie effectief af te geven. Ten slotte kunnen de elektronen in een koolstofnanobuisje slechts zeer specifieke golflengten van licht absorberen.
Om deze beperkingen te overwinnen, wendde een team onder leiding van Yuichiro Kato van het RIKEN Nanoscale Quantum Photonics Laboratory zich tot een andere klasse nanomaterialen, bekend als 2D-materialen. Deze vlakke platen zijn slechts een paar atomen dik, maar kunnen veel breder zijn dan een laserstraal, en zijn veel beter in het omzetten van laserpulsen in excitonen.
De onderzoekers lieten koolstofnanobuisjes groeien boven een greppel die uit isolatiemateriaal was gesneden. Vervolgens plaatsten ze een atomair dunne vlok wolfraamdiselenide bovenop de nanobuisjes. Toen laserpulsen deze vlok raakten, genereerden ze excitonen die in de nanobuis en over de lengte ervan bewogen, voordat ze licht vrijgaven met een langere golflengte dan de laser. Het duurde slechts een biljoenste van een seconde voordat elke exciton van het 2D-materiaal in de nanobuis terechtkwam.
Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .
Door nanobuisjes te testen met een reeks verschillende structuren die cruciale energieniveaus in het materiaal beïnvloeden, hebben de onderzoekers ideale nanobuisvormen geïdentificeerd die de overdracht van excitonen uit het 2D-materiaal vergemakkelijken.
Op basis van dit resultaat zijn ze van plan bandtechniek – een nuttig concept in de halfgeleidertechniek om apparaten met superieure eigenschappen te realiseren – op atomair dunne schaal te gebruiken. "Wanneer bandtechniek wordt toegepast op laagdimensionale halfgeleiders, zullen er naar verwachting nieuwe fysieke eigenschappen en innovatieve functionaliteiten ontstaan", zegt Kato.
"We hopen dit concept te gebruiken om fotonische en opto-elektronische apparaten te ontwikkelen die slechts een paar atomaire lagen dik zijn", voegt Kato toe. "Als we ze kunnen verkleinen tot de atomair dunne limiet, verwachten we dat er nieuwe kwantumeffecten zullen ontstaan, die nuttig kunnen worden voor toekomstige kwantumtechnologieën."