碳基纳米材料的特性可以通过有意引入某些结构“缺陷”来改变和设计。然而,挑战是控制这些缺陷的数量和类型。在碳纳米管的例子中,由Jana Zaumseil教授领导的海德堡大学的化学家和材料科学家们已经演示了一种新的反应途径来控制这种缺陷。它会导致特定的光学活性缺陷,即所谓的sp3缺陷,它们更发光,可以发射单光子,即光的粒子。近红外光的有效发射对于远程通信和生物成像具有重要意义。


通常,缺陷被认为是“坏”的东西,它会对材料的性能产生负面影响,使其不那么完美。然而,在某些纳米材料中,例如碳纳米管,这些“缺陷”可以产生一些“好的”东西,并使新的功能成为可能。在这里,精确的缺陷类型是至关重要的。碳纳米管由卷起来的六边形sp2碳原子晶格片组成,就像它们在苯中也存在一样。这些空心管直径约为一纳米,长可达几微米。

科学家演示新的反应途径控制缺陷 改善碳纳米管特性

碳纳米管的光学特性可以通过缺陷来改善,该碳纳米管由sp2碳原子的卷起的六边形晶格组成。一种新的反应途径能够选择性地产生光学活性的sp3缺陷。即使在室温下,它们也可以发射近红外的单光子。


通过一定的化学反应,晶格中的几个sp2碳原子可以转化为sp3碳,甲烷或钻石中也有。这改变了碳纳米管的局部电子结构,并导致了一个光学活性缺陷。这些sp3缺陷在近红外波段发出的光更远,总体上比未被功能化的纳米管更发光。由于碳纳米管的几何形状,引入sp3碳原子的精确位置决定了缺陷的光学性质。不幸的是,到目前为止,对缺陷形成的控制还非常有限,海德堡大学物理化学研究所教授、先进材料中心成员Jana Zaumseil说。


海德堡大学的科学家和她的团队最近展示了一种新的化学反应途径,该途径能够控制缺陷并选择性地产生一种特定类型的sp3缺陷。这些光学活性缺陷比之前引入的任何“缺陷”都“更好”。Zaumseil教授解释说,它们不仅更发光,而且在室温下还显示出单光子发射。在这个过程中,一次只能发射一个光子,这是量子密码学和高度安全通信的先决条件。


据Zaumseil教授研究小组的博士生Simon Settele说,这种新的功能化方法,亲核加成,非常简单,不需要任何特殊设备。我们才刚刚开始探索这种技术的潜在应用。许多化学和光物理方面仍然是未知的。然而,我们的目标是创造出更好的缺陷。

科学家演示新的反应途径控制缺陷 改善碳纳米管特性

本研究是由Zaumseil教授领导,欧洲研究理事会(ERC) ERC整合基金资助的“Trions and sp3-Defects in Single-walled Carbon Nanotubes for Optoelectronics”(triects)项目的一部分。其目标是理解和设计碳纳米管缺陷的电子和光学特性。


这些缺陷之间的化学差异很微妙,所需的结合配置通常只在少数纳米管中形成。能够制造出具有特定缺陷和缺陷密度可控的大量纳米管,为光电器件和电泵单光子源铺平了道路,这是量子密码学未来应用所需要的,Zaumseil教授说。


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