碳纳米管二价官能化的光学效应

科学家们已经学会了如何以原子级精度在新材料中放置晶体缺陷。这使得材料能够控制激子——类似于亚原子粒子的能量载体。新的研究表明，通过将特定的化合物精确地附着在碳纳米管表面，科学家们可以创造“捕获”激子的局部能量井。这些井降低了激子的能量状态。这可以防止它们以热量的形式损失能量并控制它们发出的光的颜色。

小而深刻的改进推动了光通信的每一代突破。新的组件材料使设备更小、更高效、更准确。然而，当研究人员从纳米级构建块设计和构建它们时，这些材料效果最好。这些微小的积木只有十亿分之一米宽。这些材料提供更明亮、更可控的光发射，更接近电信所需的红外光谱。

纳米管是六角键合碳片的空心圆柱体，只有一个原子厚。它们的电学、弹性、热学和光学特性对先进的电信材料特别有吸引力。挑战在于单壁碳纳米管往往效率低下且在光波光谱的不太有用的蓝色端发光。这些因素使它们不太适合电信。效率低下源于受激电子(或“激子”)在纳米管表面上的快速移动。这些激子衰变并失去能量当它们在表面遇到自然结构缺陷时作为热量。因此，光学有用的受激纳米管必须最大限度地减少热量的产生，最大限度地提高光发射，并产生更接近红外通信相关光谱的光。通过在纳米管表面形成“能量井”，将特定化学基团连接到纳米管表面可以改变势能格局。这些井吸引自由漂浮的表面激子并将它们捕获在几纳米长的区域中。因为被激发的电子不能自由移动，它们“被迫”以光而不是热的形式释放能量。被俘获的激子还具有较低的能量状态，它使发射的光波“红移”更接近光谱的所需红外部分。

在这项研究中，来自能源部 (DOE) 科学用户设施办公室综合纳米技术中心的科学家及其合著者在单壁碳纳米管上测试了三种新型化学基团。研究人员创建了原子级结构的理论模型，优化了稳定化学键的位置，以最大化纳米管的光发射。他们通过实验验证了结果，提供了改性表面改善光发射的直接证据。这项创新将帮助未来的团队在化学改性的纳米管中创建更精细的光学功能。

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