I nanotubi di carbonio hanno il potenziale per funzionare come dispositivi emettitori di luce, che potrebbe portare a una varietà di applicazioni nanofotoniche. Però, i nanotubi hanno attualmente una bassa resa quantica di luminescenza, tipicamente intorno all'1%, che è limitato dalla loro natura unidimensionale. In un nuovo studio, gli scienziati hanno dimostrato che la modifica artificiale della dimensionalità dei nanotubi di carbonio drogandoli con stati a dimensione zero può aumentare la loro luminosità al 18%. I risultati potrebbero portare allo sviluppo di dispositivi nanofotonici come un emettitore di fotone singolo nel vicino infrarosso che opera a temperatura ambiente.

I ricercatori, Yuhei Miyauchi, et al., hanno pubblicato il loro articolo sulla modifica della dimensionalità dei nanotubi di carbonio in un recente numero di Fotonica della natura .

Sotto una corrente elettrica applicata o un'irradiazione luminosa, vengono creati elettroni e lacune eccitati (luoghi carichi positivamente in cui mancano gli elettroni), e i nanotubi di carbonio emettono luce nel vicino infrarosso. In questo processo, elettroni e lacune eccitati formano stati legati chiamati eccitoni, e un fotone viene emesso a causa della ricombinazione di un elettrone e di una lacuna durante questo processo.

Come spiegano i ricercatori, la luminosità di un nanotubo, o resa quantica di luminescenza, è determinato dall'equilibrio tra i tassi di decadimento radiativo e non radiativo dei suoi eccitoni. Nei nanotubi, domina il decadimento non radiativo, con conseguente bassa luminescenza. Precedenti ricerche hanno dimostrato che questo decadimento non radiativo è dovuto principalmente alla rapida collisione tra eccitoni e difetti dei nanotubi, che spegne, o sopprimere, gli eccitoni. Sono stati fatti sforzi per ridurre l'estinzione del difetto degli eccitoni, con successo variabile.

Però, non tutti i difetti estinguono gli eccitoni. Come spiegano gli scienziati, i difetti con determinate strutture elettroniche possono catturare gli eccitoni e convertirli in fotoni con un tasso di decadimento radiativo molto elevato, forse anche superiore al tasso intrinseco degli eccitoni. Questi difetti benefici funzionano come stati a dimensione zero, e gli scienziati li hanno visti come un'opportunità per migliorare la luminescenza dei nanotubi.

Negli esperimenti, i ricercatori hanno drogato scarsamente i nanotubi di carbonio con atomi di ossigeno, che agiscono come stati di dimensione zero incorporati nei nanotubi unidimensionali. Hanno scoperto che, a temperatura ambiente, gli eccitoni negli stati a dimensione zero possono raggiungere una resa quantica di luminescenza del 18%, un ordine di grandezza maggiore del valore dell'1% di quelli nei nanotubi unidimensionali. I ricercatori attribuiscono questo miglioramento a meccanismi che riducono il tasso di decadimento non radiativo e aumentano il tasso di decadimento radiativo, e prevedere che la luminescenza potrebbe essere ulteriormente migliorata.

"Pensiamo che la luminescenza possa essere ulteriormente aumentata se riusciamo a trovare una migliore struttura atomica locale di uno stato artificiale a dimensione zero, "Miyauchi, un ricercatore presso l'Università di Kyoto e la Japan Science and Technology Agency, detto Phys.org . "A questo punto, il nostro stato a dimensione zero ha uno stato oscuro inferiore appena sotto lo stato luminoso, che si traduce in una riduzione di circa il 50% della resa quantica a temperatura ambiente. Se si riesce a trovare una struttura locale migliore, ci aspettiamo che sia possibile rimuovere questo stato oscuro al di sotto dello stato luminoso. Quindi, prevediamo un ulteriore aumento della resa di luminescenza degli eccitoni nello stato locale".

Nel futuro, i ricercatori sperano che i risultati stimoleranno ulteriori indagini sui sistemi ibridi a dimensione zero e unidimensionali, per quanto riguarda le applicazioni e la fisica fondamentale alla base dei sistemi.

"Abbiamo in programma di sviluppare una tecnica più sofisticata per generare un solo stato a dimensione zero in un singolo nanotubo di carbonio sospeso collegato ad elettrodi, che è necessario per sviluppare un vero e proprio emettitore di fotone singolo nel vicino infrarosso operabile a temperatura ambiente utilizzando nanotubi di carbonio, " Ha detto Miyauchi. "Abbiamo anche in programma di provare a raggiungere il laser utilizzando questo materiale. Sebbene sia stato considerato molto difficile ottenere il laser utilizzando nanotubi di carbonio come mezzo di guadagno a causa del decadimento non radiativo molto rapido dovuto a rapide collisioni tra eccitoni sotto un forte regime di eccitazione, crediamo che sarebbe possibile utilizzare stati a dimensione zero nei nanotubi di carbonio, perché gli eccitoni negli stati a dimensione zero eviterebbe la collisione con altri eccitoni.

"Le nostre scoperte potrebbero anche portare alla fabbricazione di LED o laser nel vicino infrarosso interamente in carbonio. Le sorgenti di luce nel vicino infrarosso sono molto importanti per le telecomunicazioni che utilizzano fibre ottiche. Di solito sono necessari metalli minori come In, Ga, e come, per fabbricare emettitori di luce per questa gamma di lunghezze d'onda. Se si possono realizzare sorgenti luminose efficienti utilizzando solo carbonio abbondante e senza metalli minori, it would be very nice from the viewpoint of the resource problem.

"We are also very interested in the fundamental physics in these nice hybrid low-dimensional nanostructures, and we will explore another more interesting physics in them that possibly emerges from the interactions between the states with different dimensions in the same nanostructures."

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