Hoe koolstofnanobuisjes meer uitgeven dan ze ontvangen

Drie Riken -fysici hebben ontdekt hoe kleine buizen koolstof licht uit spugen dat energieker is dan het licht scheen. Deze bevinding kan helpen om het proces te benutten in toepassingen zoals zonne -energie en biologische beeldvorming.

Sommige speciale verven gloeien als je ultraviolet licht op hen schijnt. Het zijn klassieke voorbeelden van conventionele fotoluminescentie: wanneer ze worden verlicht door energierijk licht (ultraviolet licht), stoten ze een lager energielampje uit (zichtbaar licht).

Maar verrassend genoeg vertonen bepaalde materialen het tegenovergestelde effect – lampje op hen en ze stoten een hoger energielampje uit. Dit merkwaardige fenomeen wordt UP-conversie fotoluminescentie (UCPL) genoemd. Het zou de efficiëntie van zonnecellen kunnen stimuleren, bijvoorbeeld door low-energy licht om te zetten in golflengten met een hogere energie die geschikt zijn voor het genereren van elektriciteit.

In regelmatige fotoluminescentie raakt licht een materiaal en schopt een elektron in een hoger energieniveau, waardoor een positief geladen “gat” achterblijft.

Aanvankelijk blijft het elektron -gatpaar bij elkaar in een toestand die bekend staat als een exciton. Maar uiteindelijk recombineren het elektronen- en gatrecombinatie, waardoor licht in het proces wordt uitgezonden.

Bij normale fotoluminescentie verliest de exciton energie aan het materiaal, en daarom draagt ​​het uitgezonden licht minder energie weg dan het binnenkomende licht binnengebracht. In UCPL ontvangt de exciton echter een energieboost van het materiaal door interactie te hebben met trillingen erin bekend als er bekend als bekend als fonons.

Nu hebben Yuichiro Kato en twee collega’s, allemaal bij het Riken Center for Advanced Photonics, precies vastgemaakt hoe UCPL werkt in eenwandige koolstofnanobuisjes-drinking-strakachtige cilinders van koolstof slechts enkele miljard miljardste van een meter breed. De studie is gepubliceerd in het dagboek Fysieke beoordeling B.

Eerdere theorieën hadden gesuggereerd dat UCPL alleen kon optreden in koolstofnanobuisjes met één muur als excitonen tijdelijk werden gevangen door defecten in de structuur van de nanobuis. Maar de onderzoekers ontdekten dat UCPL optrad met een hoog rendement, zelfs in defectvrije nanobuisjes, wat suggereert dat een alternatief mechanisme aan het werk was.

Het trio ontdekte dat wanneer een elektron wordt geëxciteerd door licht, het een gelijktijdige energieboost krijgt van een fonon om een ​​”donkere exciton” toestand te vormen. Na het verliezen van een beetje energie straalt de exciton eindelijk licht uit met meer energie dan de inkomende laser.

Het verhogen van de temperatuur produceerde een sterker UCPL -effect en bevestigde voorspellingen van hun model. “Fononen zijn overvloediger bij hogere temperaturen, waardoor de kans op fonon-gemedieerde overgangen wordt verbeterd”, zegt Kato.

De onderzoekers zijn van plan om de mogelijkheid te bestuderen om een ​​nanobuis te koelen met behulp van laserverlichting om thermische energie door UCPL te verwijderen en energie-oogstende mogelijkheden te verkennen om een ​​op nanobuis gebaseerd apparaat te creëren.

“Door een intrinsiek model van UCPL op te zetten in singlewandige koolstofnanobuisjes, hopen we nieuwe mogelijkheden te openen voor het ontwerpen van geavanceerde opto-elektronische en fotonische apparaten”, zegt Kato.