Ett platt ark av atomer kan fungera som en slags antenn som absorberar ljus och kanalisera dess energi till kolnanorör, vilket får dem att lysa starkt. Detta framsteg kan hjälpa utvecklingen av små framtida ljusemitterande enheter som kommer att utnyttja kvanteffekter.

Kolnanorör liknar mycket tunna, ihåliga trådar med en diameter på bara någon nanometer eller så. De kan generera ljus på olika sätt. Till exempel kan en laserpuls excitera negativt laddade elektroner i materialet och lämna positivt laddade "hål". Dessa motsatta laddningar kan paras ihop för att bilda ett energitillstånd som kallas en exciton, som kan färdas relativt långt längs ett nanorör innan det frigör sin energi som ljus.

I princip skulle detta fenomen kunna utnyttjas för att göra högeffektiva ljusavgivande enheter i nanoskala.

Tyvärr finns det tre hinder för att använda en laser för att generera excitoner i kolnanorör. För det första är en laserstråle vanligtvis 1 000 gånger bredare än ett nanorör, så väldigt lite av dess energi absorberas faktiskt av materialet. För det andra måste ljusvågorna passa perfekt med nanoröret för att leverera sin energi effektivt. Slutligen kan elektronerna i ett kolnanorör bara absorbera mycket specifika våglängder av ljus.

För att övervinna dessa begränsningar vände sig ett team under ledning av Yuichiro Kato från RIKEN Nanoscale Quantum Photonics Laboratory till en annan klass av nanomaterial, känd som 2D-material. Dessa platta ark är bara några få atomer tjocka, men de kan vara mycket bredare än en laserstråle och är mycket bättre på att omvandla laserpulser till excitoner.

Forskarna odlade kolnanorör över ett dike uthugget av ett isolerande material. De placerade sedan en atomärt tunn flinga av volframdiselenid ovanpå nanorören. När laserpulser träffade denna flinga genererade de excitoner som rörde sig in i nanoröret och längs dess längd innan de släppte ljus med en längre våglängd än lasern. Det tog bara en biljondels sekund för varje exciton att passera från 2D-materialet till nanoröret.

Artikeln är publicerad i tidskriften Nature Communications .

Genom att testa nanorör med en rad olika strukturer som påverkar avgörande energinivåer i materialet, identifierade forskarna ideala nanorörsformer som underlättar överföringen av excitoner från 2D-materialet.

Baserat på detta resultat avser de att använda bandteknik – ett användbart koncept inom halvledarteknik för att realisera enheter med överlägsna egenskaper – i den atomärt tunna skalan. "När bandteknik tillämpas på lågdimensionella halvledare förväntas nya fysiska egenskaper och innovativa funktioner uppstå", säger Kato.

"Vi hoppas kunna använda detta koncept för att utveckla fotoniska och optoelektroniska enheter som bara är några atomlager tjocka", tillägger Kato. "Om vi ​​kan krympa dem till den atomärt tunna gränsen förväntar vi oss att nya kvanteffekter kommer att uppstå, som kan bli användbara för framtida kvantteknologier."

Mer information: N. Fang et al, Resonant excitonöverföring i blandade dimensionella heterostrukturer för att övervinna dimensionsbegränsningar i optiska processer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43928-2

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av RIKEN