Att skräddarsy dimensioner och andra attribut för kolnanorör kan väsentligt öka mängden ljus som de avger, tre fysiker på RIKEN har upptäckt. Denna upptäckt lovar att leda till utvecklingen av mycket effektiva fotoniska enheter.

Kolnanorör är små cylindrar som bara är en nanometer till några nanometer i diameter men kan vara upp till flera mikrometer långa. Deras utmärkta elektroniska och mekaniska egenskaper gör dem attraktiva för användning i energieffektiva enheter. Särskilt, en defekt i de annars rena atomkolstrukturerna i nanorör kan avge enstaka fotoner av ljus - en viktig komponent för många nanoskala -enheter som behövs för kvantberäkning och kommunikation.

I en typisk ljusemitterande anordning, laserljus eller ett elektriskt fält skapar par av elektroner och hål som kallas excitoner. Någon gång senare, elektronen och hålet rekombineras och excitonen förintas. Beroende på excitons symmetri, förintelse kan leda till utsläpp av ljus eller inte.

Ungefär hälften av de skapade excitonerna är ljusa, medan den andra halvan är mörk och rekombineras utan att avge ljus. Vissa mörka excitoner kan bli ljusa excitoner och sedan avge ljus vid förintelse. Men kolnanorör tenderar att ha låga ljusemitterande effektivitet, främst för att mörka excitoner ofta rekombineras innan de kan förvandlas till ljusa excitoner.

Nu, Yuichiro Kato och två kollegor, alla på RIKEN Nanoscale Quantum Photonics Laboratory, har upptäckt att genom att skräddarsy specifikationerna för nanorören kan mer än hälften av de mörka excitonerna omvandlas till ljusa, och förbättrar därmed kraftigt ljusutgången från nanorören (fig. 1).

Forskarna utförde tidsupplösta luminescensmätningar på en rad kolnanorör. Genom att montera de tidsupplösta luminescensspåren med en modell, de fann att konverteringsfrekvensen mellan mörka och ljusa excitoner beror på längden, diameter och kiralitet hos nanorören. De tre forskarna uppskattade att i längre nanorör, omvandlingsfrekvensen för mörka till ljusa excitoner var så hög att mer än hälften av de mörka excitonerna bidrog till den totala luminescensen.

"Dessa fynd visar att mörka excitoner signifikant kan påverka utsläppskinetiken i lågdimensionella material som nanorör, "säger Kato." De pekar alltså på potentialen i att använda ytinteraktioner för att konstruera den mörk-till-ljusa omvandlingsprocessen. "

Teamet tänker nu undersöka potentialen i att utnyttja denna effekt. "Vi är intresserade av att använda den här effektiva konverteringsprocessen för att uppnå en-foton-emitrar av kol-nanorör som har bättre prestanda, säger Kato.