Optische effecten van de tweewaardige functionalisering van koolstofnanobuisjes

Wetenschappers hebben geleerd hoe ze kristallijne defecten in nieuwe materialen kunnen plaatsen met precisie op atomaire schaal. Dit maakt materialen mogelijk die excitonen kunnen controleren – energiedragers die vergelijkbaar zijn met subatomaire deeltjes. Nieuw onderzoek toont aan dat wetenschappers, door specifieke chemische verbindingen precies aan het oppervlak van een koolstofnanobuisje te hechten, lokale energiebronnen kunnen creëren die de excitonen “vangen”. De putten verlagen de energietoestand van de excitonen. Dit voorkomt het verlies van hun energie als warmte en regelt de kleur van het licht dat ze uitstralen.

Kleine maar diepgaande verbeteringen zorgen voor elke generatie doorbraken in optische telecommunicatie. Dankzij nieuwe componentmaterialen kunnen apparaten kleiner, efficiënter en nauwkeuriger zijn. Deze materialen werken echter het beste wanneer onderzoekers ze ontwerpen en bouwen met bouwstenen op nanoschaal. Deze kleine bouwstenen zijn slechts miljardsten van een meter breed. Deze materialen bieden helderdere, meer gecontroleerde lichtemissie die dichter bij het infraroodspectrum ligt dat nodig is voor telecommunicatie.

Nanobuisjes zijn holle cilinders van zeshoekige koolstofplaten die slechts één atoom dik zijn. Hun elektrische, elastische, thermische en optische eigenschappen zijn bijzonder interessant voor geavanceerde telecommunicatiematerialen. De uitdaging was dat enkelwandige koolstofnanobuizen de neiging hebben om licht inefficiënt en aan het minder bruikbare blauwe uiteinde van het lichtgolfspectrum uit te stralen. Deze factoren maken ze minder geschikt voor telecommunicatie. De inefficiëntie komt voort uit de snelle beweging van geëxciteerde elektronen (of “excitonen”) over het oppervlak van de nanobuisjes. Deze excitonen vervallen en verliezen hun energie als warmte wanneer ze natuurlijke structurele defecten aan het oppervlak tegenkomen. Optisch bruikbare geëxciteerde nanobuizen moeten daarom de productie van warmte minimaliseren, de lichtemissie maximaliseren en licht produceren dat dichter bij het voor infrarood telecommunicatie relevante spectrum ligt. Door specifieke chemische groepen aan het oppervlak van de nanobuis te bevestigen, wordt het potentiële energielandschap gewijzigd door “energiebronnen” langs het oppervlak van de nanobuis te creëren. De putten trekken de vrij zwevende oppervlakte-excitonen aan en vangen ze op in gebieden van enkele nanometers lang. Omdat de aangeslagen elektronen niet vrij kunnen bewegen, worden ze “gedwongen” om energie vrij te geven als licht in plaats van warmte. De ingesloten excitonen hebben ook een lagere energietoestand, waardoor de uitgezonden lichtgolven dichter bij het gewenste infrarode deel van het spectrum komen te liggen.

In deze studie testten wetenschappers van het Center for Integrated Nanotechnologies, een gebruikersfaciliteit van het Department of Energy (DOE) Office of Science, en hun co-auteurs drie nieuwe soorten chemische groepen op enkelwandige koolstofnanobuizen. De onderzoekers creëerden theoretische modellen van structuren op atomaire schaal die de plaatsing van stabiele chemische bindingen optimaliseerden om de optische emissie van de nanobuisjes te maximaliseren. Ze verifieerden de resultaten experimenteel en leverden direct bewijs dat de gemodificeerde oppervlakken de lichtemissie verbeterden. Deze innovatie zal toekomstige teams helpen om nauwkeuriger afgestemde optische functies te creëren in chemisch gemodificeerde nanobuisjes.

De bevindingen zijn gepubliceerd in Chemie van materialen.