Углеродные нанотрубки, помимо всего прочего, способны функционировать, как источник светового излучения, который можно использовать в различных областях, в электронике, нанофотонике и для создания крошечных микроэлектромеханических устройств. К сожалению, углеродные нанотрубки являются крайне малоэффективным источником света вследствие их одномерной структуры, уровень квантовой люминесценции не превышает одного процента от количества затраченной на это энергии. Но новые исследования, проведенные учеными, позволили найти способ, с помощью которого яркость свечения углеродных нанотрубок была увеличена на 18 процентов, что позволяет создать на их основе различные элементы нанофотонных устройств, таких, как источник единственных фотонов инфракрасного света, функционирующий при комнатной температуре.
С помощью подведенного к углеродной нанотрубке электрического тока или освещения ее светом с заданными параметрами, в кристаллической решетке нанотрубки создаются возбужденные электроны, которые оставляют после себя электронные дырки, области в кристаллической решетке, в которой отсутствует электрон и которая выступает в роли носителя положительного электрического заряда. В результате процесса дальнейшего возбуждения, электроны и дырки связываются друг с другом, формируя квазичастицу, называемую экситоном. В момент образования этой квазичастицы испускается фотон света в диапазоне, очень близком к диапазону инфракрасного света.
Просуществовав некоторое время, экситон распадается за счет рекомбинации дырки и электрона, за счет взаимной аннигиляции этих двух носителей противоположных электрических зарядов. Если распад экситона происходит естественным образом, то это событие становится источником еще одного фотона света. Но в некоторых случаях, распад экситонов может и не сопровождаться излучением фотона. К сожалению, такой распад квазичастиц, который происходит в момент их столкновения с дефектами структуры нанотрубки, является основным видом распада экситонов в углеродных нанотрубках, снижая их эффективность как источника света.
Однако, не все дефекты кристаллической структуры оказывают подавляющее воздействие на экситоны. Некоторые из дефектов, имеющих определенную электронную конфигурацию, могут захватывать экситоны и преобразовывать их в фотоны света с очень высоким уровнем энергии, выше, чем уровень энергии простого распада экситона. Такие «полезные» дефекты работают в качестве энергетических усилителей и ученые обратили к ним свое внимание с целью увеличить способности нанотрубок к излучению света.
Для создания «полезных» дефектов ученые воздействовали на них небольшим количеством атомов кислорода, которые, внедрившись в структуру нанотрубок, становились собственно этими дефектами. Ученые обнаружили, что после воздействия кислородом на нанотрубку ее люминесценция увеличилась до значения в 18 процентов по отношению к затрачиваемой энергии. Ученые приписывают такое увеличение изменению соотношения трех видов распада экситонов, при которых фотон света не излучается, излучается обычный инфракрасный фотон света и излучается высокоэнергетический фотон света.
В будущем ученые собираются использовать еще более совершенные технологии, которые позволят максимизировать количество высокоэнергетических распадов экситонов, что позволит еще больше увеличить эффективность углеродных нанотрубок, выступающих в роли источника света. Согласно прогнозам, таким способом можно добиться 50-процентного излучения света при комнатной температуре. А использование различных материалов в качестве создающего дефекты «допинга» для структуры углеродной нанотрубки, позволит добиться излучения нанотрубкой когерентного света, после чего их можно будет рассматривать в качестве альтернативы полупроводниковым лазерам, широко применяемым сегодня в области оптических коммуникаций.
Источник: