(Phys.org) — Nonostante le loro dimensioni quasi incomprensibilmente piccole – un diametro di circa un decimillesimo dello spessore di un capello umano – i nanotubi di carbonio a parete singola sono disponibili in una pletora di diverse "specie, " ciascuno con la propria struttura e una combinazione unica di proprietà elettroniche e ottiche. La caratterizzazione della struttura e delle proprietà di un singolo nanotubo di carbonio ha comportato molte congetture, fino ad ora.

I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e dell'Università della California (UC) Berkeley hanno sviluppato una tecnica che può essere utilizzata per identificare la struttura di un singolo nanotubo di carbonio e caratterizzare la sua elettronica e proprietà ottiche in un dispositivo funzionale.

"Utilizzando una nuova configurazione di microscopia ottica basata sulla polarizzazione ad alto contrasto, abbiamo dimostrato l'imaging a velocità video e la spettroscopia in situ di singoli nanotubi di carbonio su vari substrati e in dispositivi funzionali, "dice Feng Wang, un fisico della materia condensata con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab. "Per la prima volta, possiamo acquisire immagini e spettri di singoli nanotubi in un ambiente generale, anche su substrati o in dispositivi funzionali, che dovrebbe essere un ottimo strumento per far progredire la tecnologia dei nanotubi".

Wang, che è anche professore presso il Dipartimento di Fisica dell'UC Berkeley, è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questa ricerca sulla rivista Nanotecnologia della natura . Il documento è intitolato "Imaging ottico ad alta produttività e spettroscopia di singoli nanotubi di carbonio nei dispositivi". I coautori sono Kaihui Liu, Xiaoping Hong, Qin Zhou, Chenhao Jin, Jinghua Li, Weiwei Zhou, Jie Liu, Enge Wang e Alex Zettl.

Un nanotubo di carbonio a parete singola può essere metallico o semiconduttore a seconda della sua esatta struttura. I nanotubi semiconduttori possono avere bandgap elettronici molto diversi, con conseguente proprietà elettroniche o ottiche molto diverse.

"Per comprendere appieno i dispositivi ad effetto di campo o i dispositivi optoelettronici realizzati con nanotubi di carbonio a parete singola, è fondamentale sapere quali specie di nanotubi di carbonio sono presenti nel dispositivo, " Wang dice. "In passato, tali informazioni non possono essere ottenute e i ricercatori hanno dovuto indovinare cosa stesse succedendo".

La struttura fisica e le proprietà elettroniche di ogni singola specie di nanotubi di carbonio a parete singola sono governate dalla chiralità, il che significa che la loro struttura ha un distinto orientamento sinistro/destro o "mano, " che non può essere sovrapposto a un'immagine speculare. Di conseguenza, il raggiungimento della crescita controllata dalla chiralità dei nanotubi di carbonio e la comprensione della fisica alla base dei dispositivi dipendenti dalla chiralità sono due delle maggiori sfide nella ricerca sui nanotubi.

"Le tecniche di microscopia ottica e spettroscopia basate sulla polarizzazione sono adatte per affrontare queste sfide, poiché la luce polarizzata è estremamente sensibile all'anisotropia ottica in un sistema ed è stata a lungo sfruttata per studiare la chiralità in molecole e cristalli, " dice Wang. "Tuttavia, il piccolo segnale e l'inevitabile sfondo ambientale hanno reso difficile l'uso della microscopia ottica polarizzata per studiare i singoli nanotubi di carbonio".

Le difficoltà derivano da un'apparente contraddizione nella microscopia ottica basata sulla polarizzazione. Per qualsiasi microscopio ottico, un obiettivo ad ampia apertura numerica (NA) è fondamentale per un'elevata risoluzione spaziale, ma la luce polarizzata che passa attraverso un grande obiettivo di NA diventa fortemente depolarizzata. Con la loro nuova tecnica, Wang e i suoi colleghi sono stati in grado di fare ciò che non era mai stato fatto prima e di ottenere contemporaneamente sia un'elevata polarizzazione che un'elevata risoluzione spaziale.

"La chiave del nostro successo è stata la consapevolezza che l'illuminazione e la raccolta della luce possono essere controllate separatamente, " Dice Wang. "Abbiamo utilizzato un grande obiettivo NA per la raccolta della luce per ottenere un'elevata risoluzione spaziale, ma sono stati in grado di creare un obiettivo NA effettivamente piccolo per l'illuminazione per mantenere un'elevata purezza di polarizzazione."

Nel loro allestimento, Wang e i suoi colleghi hanno raccolto luce polarizzata diffusa in nanotubi con un obiettivo di 0,8 NA, ma hanno utilizzato un raggio incidente molto più stretto per creare luce di illuminazione da un laser supercontinuo con un NA molto più piccolo. Il risultato è stata una polarizzazione di un ordine di grandezza superiore a quella ottenuta con la microscopia polarizzata convenzionale e la risoluzione spaziale su scala nanometrica. Ciò ha permesso loro di ottenere profili di chiralità completi di centinaia di nanotubi di carbonio come cresciuti, e per eseguire il monitoraggio in situ in dispositivi attivi ad effetto di campo.

"Abbiamo osservato che le risonanze ottiche dei nanotubi di ordine superiore sono notevolmente ampliate dal drogaggio elettrostatico, un comportamento inaspettato che indica forti processi di scattering elettrone-elettrone inter-banda che dominano la dinamica ultraveloce degli stati eccitati nei nanotubi di carbonio, " dice Wang.

Oltre ai singoli nanotubi di carbonio a parete singola, Wang e i suoi colleghi affermano che la loro tecnica può essere utilizzata anche per migliorare notevolmente il contrasto ottico di altri materiali anisotropi di dimensioni nanometriche che sono "invisibili" ai microscopi ottici convenzionali, compresi i nanonastri di grafene, nanofili e nanobarre semiconduttori, e nanobiomateriali come i filamenti di actina.