Forskare har lärt sig hur man placerar kristallina defekter i nya material med precision i atomär skala. Detta möjliggör material som kan kontrollera excitoner - energibärare som liknar subatomära partiklar. Ny forskning visar att genom att exakt fästa specifika kemiska föreningar till en kolnanorörsyta, forskare kan skapa lokala energikällor som "fångar" excitonerna. Brunnarna sänker excitonernas energitillstånd. Detta förhindrar förlust av deras energi som värme och styr färgen på ljuset som de avger.

Små men djupgående förbättringar driver varje generation av genombrott inom optisk telekommunikation. Nya komponentmaterial gör att enheter kan vara mindre, mer effektiv, och mer exakt. Dock, dessa material fungerar bäst när forskare designar och bygger dem från nanoskala byggstenar. Dessa små byggstenar är bara miljarddels meter breda. Dessa material ger ljusare, mer kontrollerad ljusemission som ligger närmare det infraröda spektrum som krävs för telekommunikation.

Nanorör är ihåliga cylindrar av hexagonalt bundna kolskivor som bara är en atom tjocka. Deras elektriska, elastisk, termisk, och optiska egenskaper är särskilt intressanta för avancerade telekommunikationsmaterial. Utmaningen har varit att enkelväggiga kolnanorör tenderar att avge ljus ineffektivt och i den mindre användbara blå änden av ljusvågsspektrumet. Dessa faktorer gör dem mindre lämpade för telekommunikation. Ineffektiviteten härrör från den snabba rörelsen av exciterade elektroner (eller "excitoner") över ytan av nanorören. Dessa excitoner sönderfaller och förlorar sin energi som värme när de stöter på naturliga strukturella defekter på ytan. Optiskt användbara exciterade nanorör måste därför minimera produktionen av värme, maximera ljusemissionen, och producera ljus närmare det infraröda telekommunikationsrelevanta spektrumet. Att fästa specifika kemiska grupper på ytan av nanoröret modifierar det potentiella energilandskapet genom att skapa "energibrunnar" längs ytan av nanoröret. Brunnarna attraherar de fritt flytande ytexcitonerna och fångar dem i områden som är några nanometer långa. Eftersom de exciterade elektronerna inte kan röra sig fritt, de "tvingas" att frigöra energi som ljus snarare än värme. De fångade excitonerna har också ett lägre energitillstånd, som "rödförskjuter" de emitterade ljusvågorna närmare den önskade infraröda delen av spektrumet.

I den här studien, forskare från Center for Integrated Nanotechnologies, en användaranläggning för Department of Energy (DOE) Office of Science, och deras medförfattare testade tre nya typer av kemiska grupper på enkelväggiga kolnanorör. Forskarna skapade teoretiska modeller av strukturer i atomskala som optimerade placeringen av stabila kemiska bindningar för att maximera den optiska emissionen av nanorören. De verifierade resultaten experimentellt, ger direkta bevis för att de modifierade ytorna förbättrade ljusemissionen. Denna innovation kommer att hjälpa framtida team att skapa mer finjusterade optiska funktioner i kemiskt modifierade nanorör.

Fynden publicerades i Materialkemi .