更好的缺陷:光学活性缺陷改善了碳纳米管

碳纳米管的光学性质

碳纳米管的光学性质可以通过缺陷得到改善,碳纳米管由一个卷曲的六边形sp2碳原子晶格组成。一种新的反应途径能够选择性地产生具有旋光活性的sp3缺陷。它们甚至可以在室温下发射近红外单光子。来源:西蒙·塞特勒(海德堡)

海德堡科学家用一种新的反应途径实现了缺陷控制。

通过故意引入某些结构“缺陷”或缺陷,可以改变和设计碳基纳米材料的性质。但是,挑战是控制这些缺陷的数量和类型。在碳纳米管的情况下 - 近红外 - 化学家和由教授的海德堡大学发出近红外化学家和材料科学家发光的微观管状化合物现在已经证明了一种新的反应途径来实现这种缺陷控制。它导致特定的光学活性缺陷 - 所谓的SP3缺陷 - 这是更致光的,并且可以发出单个光子,即光颗粒。近红外光的有效排放对于电信和生物成像中的应用很重要。

通常,缺陷被认为是“坏”的东西,它会对材料的性能产生负面影响,使其不那么完美。然而,在某些纳米材料中,例如碳纳米管,这些“缺陷”可以产生一些“好的”东西,并使新的功能成为可能。在这里,精确的缺陷类型是至关重要的。碳纳米管由卷起来的六边形sp2碳原子晶格片组成,就像它们在苯中也存在一样。这些空心管直径约为一纳米,长可达几微米。

通过一定的化学反应,晶格中的几个sp2碳原子可以转化为sp3碳,甲烷或钻石中也有。这改变了碳纳米管的局部电子结构,并导致了一个光学活性缺陷。这些sp3缺陷在近红外波段发出的光更远,总体上比未被功能化的纳米管更发光。由于碳纳米管的几何形状,引入sp3碳原子的精确位置决定了缺陷的光学性质。“不幸的是,到目前为止,对缺陷形成的控制还非常有限,”海德堡大学物理化学研究所教授、先进材料中心成员Jana Zaumseil说。yabovip2021

海德堡大学的科学家和她的团队最近展示了一种新的化学反应途径,该途径能够控制缺陷并选择性地产生一种特定类型的sp3缺陷。这些光学活性缺陷比之前引入的任何“缺陷”都“更好”。Zaumseil教授解释说,它们不仅更发光,而且在室温下还显示出单光子发射。在这个过程中,一次只能发射一个光子,这是量子密码学和高度安全通信的先决条件。

根据Simon Settele,Zaumseil的研究组和第一个作者的博士生报告这些结果,这种新的功能化方法 - 亲核加成 - 非常简单,不需要任何特殊的设备。“我们只是开始探索潜在的应用程序。许多化学和光物理方面仍然未知。但是,目标是创造更好的缺陷。“

本研究是由Zaumseil教授领导,欧洲研究理事会(ERC) ERC整合基金资助的“Trions and sp3-Defects in Single-walled Carbon Nanotubes for Optoelectronics”(triects)项目的一部分。其目标是理解和设计碳纳米管缺陷的电子和光学特性。

“这些缺陷之间的化学差异是微妙的,所需的结合构型通常仅形成在少数纳米管中。Zaumseil教授说,能够生产具有特定缺陷的大量缺陷和受控缺陷密度,为光电器件以及电泵的单光子源铺平了Quantum加密中未来应用所需的方式。

慕尼黑大学和慕尼黑量子科学技术中心的科学家也参与了这项研究。研究结果发表在杂志上自然通讯

参考:“发光绑定配置的合成控制sp3.- 用Simon Settele,Felix J. Berger,Sebastian Lindenthal,Shen Zhao,Abdurrahman Ali El Yumin,尼古拉斯F. Zorn,Andika Asyuda,迈克尔·Zharnov,AlexanderHögele和,Jana Zaumseil,4月9日的亚历山大·莱茵河和亚历山大省和亚历山省和,Zaumseil,4月9日Zaumseil那自然通讯
DOI:10.1038 / s41467-021-22307-9

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