Введение дефектов в нанотрубки позволит повысить световую эффективность в 18 раз

Углеродные нанотрубки обладают способностями, позволяющими использовать их в качестве светоизлучающих устройств, что может с успехом использоваться в нанофотонике. Тем не менее, в настоящее время нанотрубки имеют низкий квантовый выход светового излучения, около 1% (хуже, чем даже в обычных лампах накаливания), что ограничивается одномерностью их природы. В новом исследовании ученые из Киотского университета, Юхеи Миячи (Yuhei Miyauchi) с коллегами, показали, что искусственное изменение размерности углеродных нанотрубок посредством введения дефектов в нульмерную структуру, может увеличить их светоотдачу до 18%. Полученные результаты могут привести к разработке нанофотонных устройств, таких как инфракрасный однофотонный излучатель, работающий при комнатной температуре.

Если на нанотрубку воздействует электрическое поле или световое излучение, возбуждённые электроны и дырки (положительные заряды, определяющие места, где отсутствуют электрон) начинают перемещаться по нанотрубке, и она излучает в ближней инфракрасной области ( до ~1,3 мкм). При этом механизм рекомбинации электронов и дырок (так называемые экситоны, водородоподобные квазичастицы, связанные с электронным возбуждением в диэлектрике или полупроводнике, без переноса заряда и массы) лежит в основе испускания фотонов.

Но так как экситоны могут распадаться как с излучением фотона так и без излучения, эффективность такого светоизлучающего решения и составляет 1%. Соответственно, эффективная яркость нанотрубки или ее квантовый выход, определяется балансом между излучательной и безызлучательной скорость распада его экситонов. В идеальной нанотрубке, исходя из ее структуры, имеется только одно измерение - длина, в котором может перемещаться экситон. Поэтому, экситоны очень часто сталкиваются и распадаются, так и не успев испустить фотон. Кроме того, имеющиеся дефекты нанотрубок и еще больше подавляют формирование экситонов, что еще больше усугубляет ситуацию.
Но, как доказали ученые, не все дефекты нанотрубок мешают формированию экситонов. С помощью искусственно внесенных дефектов можно создать такую ловушку для экситонов, которая поймав его, поможет испустить фотон.

В качестве искусственного дефекта в данном эксперименте использовались атомы кислорода, которые действовали как нульмерные ловушки для экситонов. Когда экситон (голубой), движется вдоль нанотрубки и сталкивается с нульмерной ловушкой (красная), экситон распадается с излучением фотона. Причем удалось достичь квантовой эффективности экситонов в 18% уже при комнатной температуре, в отличии от традиционных экситонных систем, работающих при сверхнизких температурах. Миячи, к тому же, надеятся, что светимость нанотрубок может увеличена еще больше, если удастся найти лучшую атомную структуру для искусственных нульмерных ловушек.

Пока же основной целью исследования является создание одиночной нанотрубки с одним внедренным атомом кислорода, позволяющей реализовать однофотонный источник для ближнего инфракрасного излучения, причем впервые при комнатной температуре. В будущем это позволит использовать углеродные нанотрубки для создания инфракрасных светодиодов и лазеров, заменив дорогостоящие полупроводники на основе индия и галлия.
(по материалам Phys.Org.)