Наука

Ученые научились размещать кристаллические дефекты в новых материалах с точностью до атома. Это позволяет материалам, которые могут управлять экситонами – носителями энергии, подобными субатомным частицам. Новое исследование показывает, что, точно прикрепляя определенные химические соединения к поверхности углеродных нанотрубок, ученые могут создавать локальные энергетические ямы, которые «захватывают» экситоны. Ямы понижают энергетическое состояние экситонов. Это предотвращает потерю их энергии в виде тепла и контролирует цвет излучаемого света.

Воздействие

Небольшие, но глубокие улучшения определяют каждое поколение прорывов в оптических телекоммуникациях. Новые материалы компонентов позволяют устройствам быть меньше, эффективнее и точнее. Однако эти материалы работают лучше всего, когда исследователи проектируют и строят их из строительных блоков нанометрового размера. Эти крошечные строительные блоки имеют ширину всего миллиардные доли метра. Эти материалы обеспечивают более яркое и контролируемое излучение света, которое ближе к инфракрасному спектру, необходимому для телекоммуникаций.

Краткое содержание

Нанотрубки представляют собой полые цилиндры из гексагонально связанных углеродных листов толщиной всего в один атом. Их электрические, упругие, термические и оптические свойства особенно интересны для современных телекоммуникационных материалов. Проблема заключалась в том, что однослойные углеродные нанотрубки, как правило, излучают свет неэффективно и в менее полезном синем конце спектра световых волн. Эти факторы делают их менее подходящими для телекоммуникаций. Неэффективность проистекает из быстрого движения возбужденных электронов (или «экситонов») по поверхности нанотрубок. Эти экситоны распадаются и теряют свою энергию в виде тепла, когда сталкиваются с естественными структурными дефектами на поверхности. Поэтому оптически полезные возбужденные нанотрубки должны минимизировать выделение тепла, максимизировать световое излучение и производить свет, близкий к инфракрасному спектру, имеющему отношение к телекоммуникациям. Присоединение определенных химических групп к поверхности нанотрубки изменяет ландшафт потенциальной энергии, создавая «энергетические ямы» вдоль поверхности нанотрубки. Ямки притягивают свободно плавающие поверхностные экситоны и улавливают их на участках длиной в несколько нанометров. Поскольку возбужденные электроны не могут двигаться свободно, они «вынуждены» выделять энергию в виде света, а не тепла. Захваченные экситоны также имеют более низкое энергетическое состояние, что "сдвигает" излучаемые световые волны ближе к желаемой инфракрасной части спектра.

В этом исследовании ученые из Центра интегрированных нанотехнологий при Управлении науки Министерства энергетики (DOE) и их соавторы протестировали три новых типа химических групп на однослойных углеродных нанотрубках. Исследователи создали теоретические модели структур атомного масштаба, которые оптимизировали размещение стабильных химических связей для максимизации оптического излучения нанотрубок. Они проверили результаты экспериментально, предоставив прямые доказательства того, что модифицированные поверхности улучшили световое излучение. Это нововведение поможет будущим командам создать более точно настроенные оптические функции в химически модифицированных нанотрубках.

Финансирование

Эта работа была частично проведена в Центре интегрированных нанотехнологий, в пользовательском офисе Министерства энергетики США и в Центре нелинейных исследований Лос-Аламосской национальной лаборатории (LANL). Исследования отдельных соавторов были частично поддержаны программой исследований и разработок под руководством лаборатории LANL, Национальным научным фондом, Исследовательским сообществом Альфреда П. Слоана, Центром вычислительной науки и технологий Государственного университета Северной Дакоты, Национальным энергетическим центром. Исследовательский научно-вычислительный центр и программа LANL Institutional Computing.

Источник: https://www.energy.gov/[19459007visible