Les nanotubes de carbone ont le potentiel de fonctionner comme des dispositifs électroluminescents, ce qui pourrait conduire à une variété d'applications de la nanophotonique. Cependant, les nanotubes ont actuellement un faible rendement quantique de luminescence, généralement autour de 1%, qui est limité par leur nature unidimensionnelle. Dans une nouvelle étude, des scientifiques ont démontré que modifier artificiellement la dimensionnalité des nanotubes de carbone en les dopant d'états de dimension zéro peut augmenter leur luminosité à 18%. Les résultats pourraient conduire au développement de dispositifs nanophotoniques tels qu'un émetteur à photon unique dans le proche infrarouge qui fonctionne à température ambiante.

Les chercheurs, Yuhei Miyauchi, et al., ont publié leur article sur la modification de la dimensionnalité des nanotubes de carbone dans un récent numéro de Photonique de la nature .

Sous un courant électrique appliqué ou une irradiation lumineuse, des électrons et des trous excités (emplacements chargés positivement où les électrons manquent) sont créés, et les nanotubes de carbone émettent une lumière proche infrarouge. Dans ce processus, les électrons et les trous excités forment des états liés appelés excitons, et un photon est émis en raison de la recombinaison d'un électron et d'un trou au cours de ce processus.

Comme l'expliquent les chercheurs, la luminosité d'un nanotube, ou rendement quantique de luminescence, est déterminé par l'équilibre entre les taux de décroissance radiative et non radiative de ses excitons. Dans les nanotubes, la désintégration non radiative domine, résultant en une faible luminescence. Des recherches antérieures ont montré que cette désintégration non radiative est principalement due à la collision rapide entre les excitons et les défauts des nanotubes, quelle trempe, ou supprimer, les excitons. Des efforts ont été faits pour réduire le défaut d'extinction des excitons, avec un succès variable.

Cependant, tous les défauts n'éteignent pas les excitons. Comme l'expliquent les scientifiques, les défauts de certaines structures électroniques peuvent capter des excitons et les convertir en photons à très fort taux de décroissance radiative, peut-être même plus élevé que le taux intrinsèque des excitons. Ces défauts bénéfiques fonctionnent comme des états de dimension zéro, et les scientifiques y ont vu une opportunité d'améliorer la luminescence des nanotubes.

Dans les expériences, les chercheurs ont peu dopé les nanotubes de carbone avec des atomes d'oxygène, qui agissent comme des états de type zéro dimension intégrés dans les nanotubes unidimensionnels. Ils ont trouvé que, à température ambiante, les excitons dans les états de dimension zéro peuvent atteindre un rendement quantique de luminescence de 18%, un ordre de grandeur supérieur à la valeur de 1% de ceux des nanotubes unidimensionnels. Les chercheurs attribuent cette amélioration aux mécanismes qui réduisent le taux de décroissance non radiative et améliorent le taux de décroissance radiative, et prédire que la luminescence pourrait être encore améliorée.

"Nous pensons que la luminescence peut être encore augmentée si nous pouvons trouver une meilleure structure atomique locale d'un état artificiel de dimension zéro, " Miyauchi, chercheur à l'Université de Kyoto et à l'Agence japonaise des sciences et technologies, Raconté Phys.org . "À ce point, notre état de dimension zéro a un état sombre inférieur juste en dessous de l'état brillant, ce qui entraîne une réduction d'environ 50 % du rendement quantique à température ambiante. Si l'on peut trouver une meilleure structure locale, nous nous attendons à ce qu'il soit possible de supprimer cet état sombre en dessous de l'état clair. Puis, nous nous attendons à une nouvelle augmentation du rendement de luminescence des excitons à l'état local."

À l'avenir, les chercheurs espèrent que les résultats stimuleront une enquête plus approfondie sur les systèmes hybrides à une dimension et à une dimension, concernant les applications ainsi que la physique fondamentale derrière les systèmes.

« Nous prévoyons de développer une technique plus sophistiquée pour générer un seul état de dimension zéro dans un seul nanotube de carbone en suspension connecté à des électrodes, ce qui est nécessaire pour développer un véritable émetteur monophotonique proche infrarouge utilisable à température ambiante à l'aide de nanotubes de carbone, " a déclaré Miyauchi. " Nous prévoyons également d'essayer de réaliser un laser en utilisant ce matériau. Bien qu'il ait été considéré comme très difficile de réaliser un laser en utilisant des nanotubes de carbone comme milieu de gain en raison de la décroissance non radiative très rapide due aux collisions rapides entre les excitons sous un régime d'excitation fort, nous pensons qu'il serait possible d'utiliser des états de dimension zéro dans des nanotubes de carbone, parce que les excitons dans des états de dimension zéro éviteraient la collision avec d'autres excitons.

"Nos découvertes pourraient également conduire à la fabrication de LED ou de lasers dans le proche infrarouge tout en carbone. Les sources de lumière dans le proche infrarouge sont très importantes pour les télécommunications utilisant des fibres optiques. On a généralement besoin de métaux mineurs tels que In, Géorgie, et comme, pour fabriquer des émetteurs de lumière pour cette gamme de longueurs d'onde. Si l'on peut fabriquer des sources lumineuses efficaces en utilisant uniquement du carbone abondant et sans métaux mineurs, ce serait très bien du point de vue du problème des ressources.

"Nous sommes également très intéressés par la physique fondamentale de ces belles nanostructures hybrides de faible dimension, 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."

© 2013 Phys.org. Tous les droits sont réservés.