Kolnanorör har potential att fungera som ljusemitterande enheter, vilket kan leda till en mängd olika nanofotoniktillämpningar. Dock, nanorör har för närvarande ett lågt luminescenskvantutbyte, vanligtvis runt 1 %, som är begränsad av deras endimensionella natur. I en ny studie, forskare har visat att artificiell modifiering av dimensionaliteten hos kolnanorör genom att dopa dem med nolldimensionella tillstånd kan öka deras ljusstyrka till 18 %. Fynden kan leda till utvecklingen av nanofotonikenheter som en nära-infraröd enkelfotonemitter som arbetar vid rumstemperatur.

Forskarna, Yuhei Miyauchi, et al., har publicerat sin uppsats om att modifiera dimensionaliteten hos kolnanorör i ett färskt nummer av Naturfotonik .

Under en pålagd elektrisk ström eller ljusbestrålning, exciterade elektroner och hål (positivt laddade platser där elektroner saknas) skapas, och kolnanorör avger nära-infrarött ljus. I denna process, exciterade elektroner och hål bildar bundna tillstånd som kallas excitoner, och en foton emitteras på grund av rekombinationen av en elektron och ett hål under denna process.

Som forskarna förklarar, ett nanorörs ljusstyrka, eller luminescenskvantutbyte, bestäms av balansen mellan de radiativa och icke-strålande sönderfallshastigheterna för dess excitoner. I nanorör, icke-strålande sönderfall dominerar, vilket resulterar i låg luminescens. Tidigare forskning har visat att detta icke-strålande sönderfall främst beror på den snabba kollisionen mellan excitoner och nanorörsdefekter, som släcker, eller undertrycka, excitonerna. Ansträngningar har gjorts för att minska defektsläckningen av excitonerna, med varierande framgång.

Dock, inte alla defekter släcker excitoner. Som forskarna förklarar, defekter med vissa elektroniska strukturer kan fånga excitoner och omvandla dem till fotoner med en mycket hög strålningssönderfallshastighet, möjligen till och med högre än excitonernas inneboende hastighet. Dessa fördelaktiga defekter fungerar som nolldimensionella tillstånd, och forskarna såg dem som en möjlighet att förbättra nanorörsluminescens.

I experiment, forskarna dopade kolnanorören sparsamt med syreatomer, som fungerar som nolldimensionsliknande tillstånd inbäddade i de endimensionella nanorören. De fann att, vid rumstemperatur, excitoner i nolldimensionsliknande tillstånd kan uppnå ett luminescenskvantutbyte på 18 %, en storleksordning större än 1%-värdet för de i endimensionella nanorör. Forskarna tillskriver denna förbättring till mekanismer som minskar den icke-strålande sönderfallshastigheten och ökar den strålningssönderfallshastigheten, och förutsäga att luminescensen skulle kunna förbättras ytterligare.

"Vi tror att luminescensen kan ökas ytterligare om vi kan hitta en bättre lokal atomstruktur av ett artificiellt nolldimensionellt tillstånd, "Miyauchi, en forskare vid Kyoto University och Japan Science and Technology Agency, berättade Phys.org . "Vid denna punkt, vårt nolldimensionella tillstånd har ett lägre liggande mörkt tillstånd strax under det ljusa tillståndet, vilket resulterar i cirka 50 % minskning av kvantutbytet vid rumstemperatur. Om man kan hitta en bättre lokal struktur, vi förväntar oss att det kan vara möjligt att ta bort detta mörka tillstånd under det ljusa tillståndet. Sedan, vi förväntar oss ytterligare ökning av luminescensutbytet av excitoner i den lokala staten."

I framtiden, forskarna hoppas att resultaten kommer att stimulera ytterligare undersökningar av nolldimensionella—endimensionella hybridsystem, angående tillämpningar såväl som den grundläggande fysiken bakom systemen.

"Vi planerar att utveckla en mer sofistikerad teknik för att generera endast ett nolldimensionellt tillstånd i ett enda suspenderat kolnanorör kopplat till elektroder, vilket är nödvändigt för att utveckla en verklig nära-infraröd enkelfotonemitter som kan användas vid rumstemperatur med hjälp av kolnanorör, ", sade Miyauchi. "Vi planerar också att försöka uppnå lasring med detta material. Även om det har ansetts vara mycket svårt att uppnå lasring med användning av kolnanorör som förstärkningsmedia på grund av det mycket snabba icke-strålande sönderfallet på grund av snabba kollisioner mellan excitoner under en stark excitationsregim, vi tror att det skulle vara möjligt att använda nolldimensionella tillstånd i kolnanorör, eftersom excitoner i nolldimensionella tillstånd skulle undvika kollision med andra excitoner.

"Våra fynd kan också leda till tillverkning av nära-infraröda lysdioder eller lasrar helt i kol. Nära-infraröda ljuskällor är mycket viktiga för telekommunikationer med optiska fibrer. Man behöver vanligtvis mindre metaller som In, Ga, och som, att tillverka ljussändare för detta våglängdsområde. Om man kan göra effektiva ljuskällor med enbart rikligt med kol och utan några mindre metaller, det skulle vara mycket trevligt med tanke på resursproblemet.

"We are also very interested in the fundamental physics in these nice hybrid low-dimensional nanostructures, and we will explore another more interesting physics in them that possibly emerges from the interactions between the states with different dimensions in the same nanostructures."

© 2013 Phys.org. Alla rättigheter förbehållna.