光學(xué)活性缺陷改善碳納米管

碳基納米材料的特性可以通過有意引入某些結(jié)構(gòu)“缺陷”來改變和設(shè)計(jì)。然而，挑戰(zhàn)是控制這些缺陷的數(shù)量和類型。德國海德堡大學(xué)的科學(xué)家們已經(jīng)演示了一種新反應(yīng)途徑控制這種缺陷。這會(huì)導(dǎo)致特定的光學(xué)活性缺陷—所謂的sp3缺陷—更發(fā)光并可以發(fā)射單光子。近紅外光的有效發(fā)射對于遠(yuǎn)程通信和生物成像具有重要意義。

通常，缺陷被認(rèn)為是“壞的”東西，它會(huì)對材料的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。然而，在某些納米材料中，例如碳納米管，這些缺陷可以產(chǎn)生一些“好的”東西，并使新功能成為可能。在這里，精確的缺陷類型是至關(guān)重要的。碳納米管由卷起來的六邊形sp2碳原子晶格片組成，這些空心管直徑約為一納米，長可達(dá)幾微米。

通過一定的化學(xué)反應(yīng)，晶格中的幾個(gè)sp2碳原子可以轉(zhuǎn)化為sp3碳。這改變了碳納米管的局部電子結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致了一個(gè)光學(xué)活性缺陷。這些sp3缺陷在近紅外波段發(fā)出的光更遠(yuǎn)，總體上比未被功能化的納米管更發(fā)光。

由于碳納米管的幾何形狀，引入sp3碳原子的精確位置決定了缺陷的光學(xué)性質(zhì)。“不幸的是，到目前為止，對缺陷形成的控制還非常有限。”海德堡大學(xué)教授Jana Zaumseil說。

Zaumseil團(tuán)隊(duì)展示了一種新的化學(xué)反應(yīng)途徑，該途徑能夠控制缺陷并選擇性地產(chǎn)生一種特定類型的sp3缺陷。這些光學(xué)活性缺陷比之前引入的任何缺陷都“更好”。Zaumseil解釋說，它們不僅更發(fā)光，而且在室溫下還顯示出單光子發(fā)射。在這個(gè)過程中，一次只能發(fā)射一個(gè)光子，這是量子密碼學(xué)和高度安全通信的先決條件。

專家認(rèn)為，能夠制造出具有特定缺陷和缺陷密度且可控的大量納米管，為光電器件和電泵單光子源發(fā)展鋪平了道路。