(Phys.org)-Trots sin nästan ofattbart små storlek-en diameter ungefär en tiotusendels tjocklek av ett människohår-finns enväggiga kolnanorör i en uppsjö av olika "arter, "var och en med sin egen struktur och unika kombination av elektroniska och optiska egenskaper. Att känneteckna strukturen och egenskaperna hos ett enskilt kolnanorör har inneburit många gissningar - fram till nu.

Forskare vid US Department of Energy (DOE) s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California (UC) Berkeley har utvecklat en teknik som kan användas för att identifiera strukturen hos ett enskilt kolnanorör och karakterisera dess elektroniska och optiska egenskaper i en funktionell enhet.

"Med hjälp av en ny polarisationsbaserad optisk mikroskopi med hög kontrast, vi har visat bildhastighetsavbildning och in-situ-spektroskopi av enskilda kolnanorör på olika underlag och i funktionella enheter, "säger Feng Wang, en kondenserad fysiker med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning. "För första gången, vi kan ta bilder och spektra av enskilda nanorör i en allmän miljö, inklusive på underlag eller i funktionella enheter, vilket borde vara ett bra verktyg för att främja nanorörteknik. "

Wang, som också är professor vid UC Berkeleys fysikavdelning, är motsvarande författare till ett papper som beskriver denna forskning i tidskriften Naturnanoteknik . Papperet har titeln "High-throughput optisk avbildning och spektroskopi av enskilda kolnanorör i enheter." Medförfattare är Kaihui Liu, Xiaoping Hong, Qin Zhou, Chenhao Jin, Jinghua Li, Weiwei Zhou, Jie Liu, Enge Wang och Alex Zettl.

Ett enväggigt kolnanorör kan vara metalliskt eller halvledande beroende på dess exakta struktur. Halvledande nanorör kan ha mycket olika elektroniska bandgap, vilket resulterar i väldigt olika elektroniska eller optiska egenskaper.

"För att fullt ut förstå fälteffektanordningar eller optoelektroniska enheter tillverkade av enväggiga kolnanorör, det är kritiskt att veta vilken art av kolnanorör som finns i enheten, "Säger Wang." Tidigare har sådan information kunde inte erhållas och forskare fick gissa vad som pågick. "

Den fysiska strukturen och de elektroniska egenskaperna hos varje enskild art av enväggiga kolnanorör styrs av kiralitet, vilket betyder att deras struktur har en distinkt vänster/höger orientering eller "handenhet, "som inte kan läggas på en spegelbild. Som ett resultat, uppnå kiralitetskontrollerad tillväxt av kolnanorör och förstå fysiken bakom kiralitetsberoende enheter är två av de största utmaningarna inom nanorörsforskning.

"Polarisationsbaserad optisk mikroskopi och spektroskopiteknik är väl lämpade för att möta dessa utmaningar, eftersom polariserat ljus är extremt känsligt för optisk anisotropi i ett system och har länge utnyttjats för att studera kiralitet i molekyler och kristaller, "Säger Wang." Men den lilla signalen och den oundvikliga miljöbakgrunden har gjort det svårt att använda polariserad optisk mikroskopi för att studera enstaka kolnanorör. "

Svårigheter uppstår från en uppenbar motsättning i polarisationsbaserad optisk mikroskopi. För alla optiska mikroskop, ett stort numeriskt bländarobjekt (NA) är avgörande för hög spatial upplösning, men polariserat ljus som passerar genom ett stort NA -mål blir starkt depolariserat. Med sin nya teknik, Wang och hans kollegor kunde göra det som inte har gjorts tidigare och samtidigt uppnå både hög polarisering och hög rumslig upplösning.

"Nyckeln till vår framgång var insikten att ljusbelysning och ljusinsamling kan styras separat, "Wang säger." Vi använde ett stort NA -mål för ljusinsamling för att få hög rumslig upplösning, men kunde skapa ett effektivt litet NA -mål för belysning för att upprätthålla hög polarisationsrenhet. "

I deras upplägg, Wang och hans kollegor samlade nanorörspridet polariserat ljus med ett 0,8 NA-mål men använde en mycket smalare infallande stråle för att skapa belysningsljus från en superkontinuumlaser med en mycket mindre NA. Resultatet var polarisering en storleksordning högre än vad som har uppnåtts med konventionell polariserad mikroskopi och rumslig upplösning på nanoskala. Detta gjorde det möjligt för dem att få fullständiga kiralitetsprofiler för hundratals odlade kolnanorör, och att utföra övervakning på plats i aktiva fälteffektanordningar.

"Vi observerade att optiska resonanser med hög ordning nanorör breddas dramatiskt genom elektrostatisk dopning, ett oväntat beteende som pekar på starka interbandiga elektron-elektron-spridningsprocesser som dominerar den supersnabba dynamiken i upphetsade tillstånd i kolnanorör, "Säger Wang.

Förutom enskilda enväggiga kolnanorör, Wang och hans kollegor säger att deras teknik också kan användas för att kraftigt förbättra den optiska kontrasten för andra anisotropa nanostorlekar som är "osynliga" för konventionella optiska mikroskop, inklusive grafen -nanoribbon, halvledar nanotrådar och nanoroder, och nanobiomaterial såsom aktinfilament.