Los nanotubos de carbono tienen el potencial de funcionar como dispositivos emisores de luz, lo que podría conducir a una variedad de aplicaciones nanofotónicas. Sin embargo, Los nanotubos tienen actualmente un rendimiento cuántico de luminiscencia baja, típicamente alrededor del 1%, que está restringido por su naturaleza unidimensional. En un nuevo estudio, Los científicos han demostrado que la modificación artificial de la dimensionalidad de los nanotubos de carbono dopando con estados de dimensión cero puede aumentar su luminosidad al 18%. Los hallazgos podrían conducir al desarrollo de dispositivos nanofotónicos, como un emisor de fotón único en el infrarrojo cercano que funciona a temperatura ambiente.

Los investigadores, Yuhei Miyauchi, et al., han publicado su artículo sobre la modificación de la dimensionalidad de los nanotubos de carbono en un número reciente de Fotónica de la naturaleza .

Bajo una corriente eléctrica aplicada o irradiación de luz, se crean electrones excitados y huecos (ubicaciones con carga positiva donde faltan electrones), y los nanotubos de carbono emiten luz infrarroja cercana. En este proceso, electrones y huecos excitados forman estados ligados llamados excitones, y se emite un fotón debido a la recombinación de un electrón y un agujero durante este proceso.

Como explican los investigadores, el brillo de un nanotubo, o rendimiento cuántico de luminiscencia, está determinada por el equilibrio entre las tasas de desintegración radiativa y no radiativa de sus excitones. En nanotubos, domina la desintegración no radiativa, resultando en baja luminiscencia. Investigaciones anteriores han demostrado que esta desintegración no radiativa se debe principalmente a la rápida colisión entre los excitones y los defectos de los nanotubos. que apaga, o reprimir, los excitones. Se han realizado esfuerzos para reducir la extinción de defectos de los excitones, con éxito variable.

Sin embargo, no todos los defectos apagan los excitones. Como explican los científicos, los defectos con ciertas estructuras electrónicas pueden capturar excitones y convertirlos en fotones con una tasa de desintegración radiativa muy alta, posiblemente incluso mayor que la tasa intrínseca de los excitones. Estos defectos beneficiosos funcionan como estados de dimensión cero, y los científicos los vieron como una oportunidad para mejorar la luminiscencia de los nanotubos.

En experimentos, los investigadores doparon escasamente los nanotubos de carbono con átomos de oxígeno, que actúan como estados de dimensión cero incrustados en los nanotubos unidimensionales. Ellos encontraron que a temperatura ambiente, los excitones en los estados de dimensión cero pueden lograr un rendimiento cuántico de luminiscencia del 18%, un orden de magnitud mayor que el valor del 1% de aquellos en nanotubos unidimensionales. Los investigadores atribuyen esta mejora a los mecanismos que reducen la tasa de desintegración no radiativa y mejoran la tasa de desintegración radiativa. y predecir que la luminiscencia podría mejorarse aún más.

"Creemos que la luminiscencia puede aumentar aún más si podemos encontrar una mejor estructura atómica local de un estado artificial de dimensión cero, "Miyauchi, investigador de la Universidad de Kioto y de la Agencia de Ciencia y Tecnología de Japón, dicho Phys.org . "En este punto, nuestro estado de dimensión cero tiene un estado oscuro más bajo justo debajo del estado brillante, lo que da como resultado una reducción de aproximadamente el 50% del rendimiento cuántico a temperatura ambiente. Si uno puede encontrar una mejor estructura local, esperamos que sea posible eliminar este estado oscuro por debajo del estado brillante. Luego, esperamos un mayor aumento del rendimiento de luminiscencia de los excitones en el estado local ".

En el futuro, los investigadores esperan que los resultados estimulen una mayor investigación de los sistemas híbridos unidimensionales y de dimensión cero, con respecto a las aplicaciones, así como la física fundamental detrás de los sistemas.

"Planeamos desarrollar una técnica más sofisticada para generar solo un estado de dimensión cero en un solo nanotubo de carbono suspendido conectado a electrodos, que es necesario para desarrollar un emisor de fotón único de infrarrojo cercano real que funcione a temperatura ambiente utilizando nanotubos de carbono, "Dijo Miyauchi." También planeamos tratar de lograr láser usando este material. Aunque se ha considerado muy difícil lograr el láser utilizando nanotubos de carbono como medio de ganancia debido a la desintegración no radiativa muy rápida debido a las colisiones rápidas entre excitones bajo un régimen de excitación fuerte, creemos que sería posible usar estados de dimensión cero en nanotubos de carbono, porque los excitones en estados de dimensión cero evitarían la colisión con otros excitones.

"Nuestros hallazgos también podrían conducir a la fabricación de láseres o LED de infrarrojo cercano totalmente de carbono. Las fuentes de luz del infrarrojo cercano son muy importantes para las telecomunicaciones que utilizan fibras ópticas. Por lo general, se necesitan metales menores como In, Georgia, y como, para fabricar emisores de luz para este rango de longitud de onda. Si uno puede hacer fuentes de luz eficientes utilizando solo abundante carbono y sin metales menores, sería muy bueno desde el punto de vista del problema de los recursos.

"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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