(Phys.org) - A pesar de su tamaño casi incomprensiblemente pequeño, un diámetro de aproximadamente una diezmilésima parte del grosor de un cabello humano, los nanotubos de carbono de pared simple vienen en una plétora de diferentes "especies", “cada uno con su propia estructura y una combinación única de propiedades electrónicas y ópticas. Caracterizar la estructura y las propiedades de un nanotubo de carbono individual ha implicado muchas conjeturas, hasta ahora.

Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y de la Universidad de California (UC) en Berkeley han desarrollado una técnica que se puede utilizar para identificar la estructura de un nanotubo de carbono individual y caracterizar sus componentes electrónicos. y propiedades ópticas en un dispositivo funcional.

"Utilizando una nueva configuración de microscopía óptica basada en polarización de alto contraste, Hemos demostrado imágenes de velocidad de video y espectroscopía in situ de nanotubos de carbono individuales en varios sustratos y en dispositivos funcionales, "dice Feng Wang, físico de materia condensada de la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab. "Por primera vez, podemos tomar imágenes y espectros de nanotubos individuales en un entorno general, incluso en sustratos o en dispositivos funcionales, que debería ser una gran herramienta para el avance de la tecnología de nanotubos ".

Wang, quien también es profesor en el Departamento de Física de UC Berkeley, es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en la revista Nanotecnología de la naturaleza . El artículo se titula "Imagen óptica de alto rendimiento y espectroscopia de nanotubos de carbono individuales en dispositivos". Los coautores son Kaihui Liu, Xiaoping Hong, Qin Zhou, Chenhao Jin, Jinghua Li, Weiwei Zhou, Jie Liu, Enge Wang y Alex Zettl.

Un nanotubo de carbono de pared simple puede ser metálico o semiconductor dependiendo de su estructura exacta. Los nanotubos semiconductores pueden tener bandas prohibidas electrónicas muy diferentes, resultando en propiedades ópticas o electrónicas tremendamente diferentes.

"Para comprender completamente los dispositivos de efecto de campo o los dispositivos optoelectrónicos fabricados con nanotubos de carbono de pared simple, es fundamental saber qué especies de nanotubos de carbono hay en el dispositivo, "Dice Wang." En el pasado, no se pudo obtener esa información y los investigadores tuvieron que adivinar qué estaba pasando ".

La estructura física y las propiedades electrónicas de cada especie individual de nanotubos de carbono de pared simple se rigen por la quiralidad, lo que significa que su estructura tiene una orientación distinta de izquierda a derecha o "lateralidad, "que no se puede superponer a una imagen especular. Como resultado, lograr un crecimiento de nanotubos de carbono controlado por quiralidad y comprender la física detrás de los dispositivos dependientes de quiralidad son dos de los mayores desafíos en la investigación de nanotubos.

"Las técnicas de espectroscopía y microscopía óptica basadas en polarización son adecuadas para enfrentar estos desafíos, Dado que la luz polarizada es extremadamente sensible a la anisotropía óptica en un sistema y se ha explotado durante mucho tiempo para estudiar la quiralidad en moléculas y cristales, "Dice Wang." Sin embargo, la pequeña señal y el inevitable entorno ambiental han dificultado el uso de microscopía óptica polarizada para estudiar nanotubos de carbono individuales ".

Las dificultades surgen de una aparente contradicción en la microscopía óptica basada en polarización. Para cualquier microscopio óptico, un objetivo de gran apertura numérica (NA) es crucial para una alta resolución espacial, pero la luz polarizada que pasa a través de un objetivo de NA grande se despolariza fuertemente. Con su nueva técnica, Wang y sus colegas pudieron hacer lo que no se había hecho antes y, al mismo tiempo, alcanzar una alta polarización y una alta resolución espacial.

"La clave de nuestro éxito fue darnos cuenta de que la iluminación de la luz y la recolección de luz se pueden controlar por separado, ", Dice Wang." Usamos un objetivo de NA grande para la recolección de luz para obtener una alta resolución espacial, pero fueron capaces de crear un objetivo NA efectivamente pequeño para que la iluminación mantuviera una alta pureza de polarización ".

En su configuración, Wang y sus colegas recolectaron luz polarizada dispersada en nanotubos con un objetivo de 0,8 NA, pero usaron un haz incidente mucho más estrecho para crear luz de iluminación a partir de un láser supercontinuo con un NA mucho más pequeño. El resultado fue una polarización de un orden de magnitud superior a la que se ha logrado con la microscopía polarizada convencional y la resolución espacial a nanoescala. Esto les permitió obtener perfiles de quiralidad completos de cientos de nanotubos de carbono a medida que crecían, y para realizar un seguimiento in situ en dispositivos activos de efecto de campo.

"Observamos que las resonancias ópticas de nanotubos de alto orden se amplían drásticamente con el dopaje electrostático, un comportamiento inesperado que apunta a fuertes procesos de dispersión de electrones entre bandas que dominan la dinámica ultrarrápida de los estados excitados en los nanotubos de carbono, "Dice Wang.

Además de los nanotubos de carbono de pared simple individuales, Wang y sus colegas dicen que su técnica también se puede utilizar para mejorar en gran medida el contraste óptico de otros materiales anisotrópicos de tamaño nanométrico que son "invisibles" para los microscopios ópticos convencionales. incluyendo nanocintas de grafeno, nanocables y nanovarillas semiconductores, y nanobiomateriales como filamentos de actina.