![De optische eigenschappen van koolstofnanobuisjes, die bestaan uit een opgerold hexagonaal rooster van sp2-koolstofatomen, kunnen worden verbeterd door defecten. Een nieuw reactiepad maakt de selectieve creatie van optisch actieve sp3-defecten mogelijk. Deze kunnen zelfs bij kamertemperatuur enkele fotonen in het nabij-infrarood uitzenden. Krediet: Simon Settele (Heidelberg) Optisch actieve defecten verbeteren koolstofnanobuisjes](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/607048b50d71e.jpg)
De optische eigenschappen van koolstofnanobuisjes, die bestaan uit een opgerold hexagonaal rooster van sp2-koolstofatomen, kunnen worden verbeterd door defecten. Een nieuw reactiepad maakt de selectieve creatie van optisch actieve sp3-defecten mogelijk. Deze kunnen zelfs bij kamertemperatuur enkele fotonen in het nabij-infrarood uitzenden. Krediet: Simon Settele (Heidelberg)
De eigenschappen van op koolstof gebaseerde nanomaterialen kunnen worden veranderd en ontwikkeld door de opzettelijke introductie van bepaalde structurele “onvolkomenheden” of defecten. De uitdaging is echter om het aantal en het type van deze defecten te beheersen. In het geval van koolstofnanobuisjes – microscopisch kleine buisvormige verbindingen die licht uitzenden in het nabij-infrarood – hebben chemici en materiaalwetenschappers van de Universiteit van Heidelberg onder leiding van prof. Dr. Jana Zaumseil nu een nieuw reactietraject gedemonstreerd om een dergelijke defectcontrole mogelijk te maken. Het resulteert in specifieke optisch actieve defecten – zogenaamde sp3-defecten – die meer luminescerend zijn en afzonderlijke fotonen kunnen uitzenden, dat wil zeggen lichtdeeltjes. De efficiënte emissie van nabij-infrarood licht is belangrijk voor toepassingen in telecommunicatie en biologische beeldvorming.
Meestal worden defecten als iets “slechts” beschouwd dat de eigenschappen van een materiaal negatief beïnvloedt, waardoor het minder perfect wordt. In bepaalde nanomaterialen, zoals koolstofnanobuisjes, kunnen deze “onvolkomenheden” echter resulteren in iets “goeds” en nieuwe functionaliteiten mogelijk maken. Hier is het precieze type defecten cruciaal. Koolstofnanobuisjes bestaan uit opgerolde vellen van een hexagonaal rooster van sp2-koolstofatomen, zoals ze ook voorkomen in benzeen. Deze holle buisjes hebben een diameter van ongeveer één nanometer en een lengte tot enkele micrometers.
Door bepaalde chemische reacties kunnen enkele sp2-koolstofatomen van het rooster worden omgezet in sp3-koolstof, dat ook wordt aangetroffen in methaan of diamant. Dit verandert de lokale elektronische structuur van de koolstofnanobuisjes en resulteert in een optisch actief defect. Deze sp3-defecten zenden zelfs verder licht uit in het nabij-infrarood en zijn over het algemeen meer luminescerend dan nanobuisjes die niet zijn gefunctionaliseerd. Vanwege de geometrie van koolstofnanobuisjes bepaalt de precieze positie van de geïntroduceerde sp3-koolstofatomen de optische eigenschappen van de defecten. “Helaas is er tot dusver weinig controle geweest over welke defecten worden gevormd”, zegt Jana Zaumseil, professor aan het Instituut voor Fysische Chemie en lid van het Centrum voor Geavanceerde Materialen aan de Universiteit van Heidelberg.
De Heidelberg-wetenschapper en haar team hebben onlangs een nieuw chemisch reactiepad gedemonstreerd dat defectcontrole en de selectieve creatie van slechts één specifiek type sp3-defect mogelijk maakt. Deze optisch actieve defecten zijn “beter” dan alle eerder geïntroduceerde “onvolkomenheden”. Ze zijn niet alleen lichter, ze vertonen ook de emissie van één foton bij kamertemperatuur, legt prof. Zaumseil uit. In dit proces wordt slechts één foton tegelijk uitgezonden, wat een voorwaarde is voor kwantumcryptografie en zeer veilige telecommunicatie.
Volgens Simon Settele, een doctoraatsstudent in de onderzoeksgroep van Prof. Zaumseil en de eerste auteur van de paper die deze resultaten rapporteert, is deze nieuwe functionalisatiemethode – een nucleofiele toevoeging – heel eenvoudig en vereist geen speciale apparatuur. “We zijn nog maar net begonnen met het onderzoeken van de mogelijke toepassingen. Veel chemische en fotofysische aspecten zijn nog onbekend. Het doel is echter om nog betere defecten te creëren.”
Dit onderzoek maakt deel uit van het project “Trions and sp3-Defects in Single-walled Carbon Nanotubes for Optoelectronics” (TRIFECTs), geleid door Prof. Zaumseil en gefinancierd door een ERC Consolidator Grant van de European Research Council (ERC). Het doel is om de elektronische en optische eigenschappen van defecten in koolstofnanobuisjes te begrijpen en te manipuleren.
“De chemische verschillen tussen deze defecten zijn subtiel en de gewenste bindingsconfiguratie wordt meestal alleen gevormd in een minderheid van nanobuisjes. Het kunnen produceren van grote aantallen nanobuisjes met een specifiek defect en met gecontroleerde defectdichtheden maakt de weg vrij voor zowel opto-elektronische apparaten als elektrisch gepompte bronnen van één foton, die nodig zijn voor toekomstige toepassingen in kwantumcryptografie, “zegt prof. Zaumseil.
Simon Settele et al. Synthetische controle over de bindingsconfiguratie van luminescerende sp3-defecten in enkelwandige koolstofnanobuisjes, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-22307-9
Nature Communications
Geleverd door Heidelberg University