(Phys.org) - Malgré leur petite taille presque incompréhensible - un diamètre d'environ un dix millième de l'épaisseur d'un cheveu humain - les nanotubes de carbone à paroi unique se présentent sous une pléthore d'"espèces différentes, " chacun avec sa propre structure et une combinaison unique de propriétés électroniques et optiques. Caractériser la structure et les propriétés d'un nanotube de carbone individuel a impliqué beaucoup de conjectures - jusqu'à présent.

Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) et de l'Université de Californie (UC) Berkeley ont mis au point une technique qui peut être utilisée pour identifier la structure d'un nanotube de carbone individuel et caractériser son et les propriétés optiques dans un dispositif fonctionnel.

"En utilisant une nouvelle configuration de microscopie optique basée sur la polarisation à contraste élevé, nous avons démontré l'imagerie à vitesse vidéo et la spectroscopie in situ de nanotubes de carbone individuels sur divers substrats et dans des dispositifs fonctionnels, " dit Feng Wang, un physicien de la matière condensée à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab. "Pour la première fois, nous pouvons prendre des images et des spectres de nanotubes individuels dans un environnement général, y compris sur des substrats ou dans des dispositifs fonctionnels, qui devrait être un excellent outil pour faire progresser la technologie des nanotubes. »

Wang, qui est également professeur au département de physique de l'UC Berkeley, est l'auteur correspondant d'un article décrivant cette recherche dans la revue Nature Nanotechnologie . L'article s'intitule « Imagerie optique à haut débit et spectroscopie de nanotubes de carbone individuels dans des appareils ». Les co-auteurs sont Kaihui Liu, Xiaoping Hong, Qin Zhou, Chenhao Jin, Jinghua Li, Weiwei Zhou, Jie Liu, Enge Wang et Alex Zettl.

Un nanotube de carbone monoparoi peut être métallique ou semi-conducteur selon sa structure exacte. Les nanotubes semi-conducteurs peuvent avoir des bandes interdites électroniques très différentes, résultant en des propriétés électroniques ou optiques très différentes.

"Pour bien comprendre les dispositifs à effet de champ ou les dispositifs optoélectroniques fabriqués à partir de nanotubes de carbone monoparoi, il est essentiel de savoir quelle espèce de nanotube de carbone se trouve dans le dispositif, " dit Wang. " Dans le passé, ces informations n'ont pas pu être obtenues et les chercheurs ont dû deviner ce qui se passait."

La structure physique et les propriétés électroniques de chaque espèce individuelle de nanotubes de carbone à paroi unique sont régies par la chiralité, ce qui signifie que leur structure a une orientation gauche/droite distincte ou " qui ne peut pas être superposée sur une image miroir. Par conséquent, parvenir à une croissance contrôlée par la chiralité des nanotubes de carbone et comprendre la physique derrière les dispositifs dépendants de la chiralité sont deux des plus grands défis de la recherche sur les nanotubes.

« Les techniques de microscopie optique et de spectroscopie basées sur la polarisation sont bien adaptées pour relever ces défis, comme la lumière polarisée est extrêmement sensible à l'anisotropie optique dans un système et a longtemps été exploitée pour étudier la chiralité dans les molécules et les cristaux, " dit Wang. " Cependant, le faible signal et le bruit de fond inévitable de l'environnement ont rendu difficile l'utilisation de la microscopie optique polarisée pour étudier des nanotubes de carbone uniques."

Les difficultés proviennent d'une contradiction apparente dans la microscopie optique basée sur la polarisation. Pour tout microscope optique, un objectif à grande ouverture numérique (NA) est crucial pour une haute résolution spatiale, mais la lumière polarisée passant à travers un grand objectif NA devient fortement dépolarisée. Avec leur nouvelle technique, Wang et ses collègues ont pu faire ce qui n'a pas été fait auparavant et obtenir simultanément une polarisation élevée et une résolution spatiale élevée.

« La clé de notre succès a été de réaliser que l'éclairage et la collecte de la lumière peuvent être contrôlés séparément, " dit Wang. " Nous avons utilisé un grand objectif NA pour la collecte de la lumière afin d'obtenir une haute résolution spatiale, mais ont été capables de créer un objectif NA effectivement petit pour l'éclairage afin de maintenir une pureté de polarisation élevée."

Dans leur installation, Wang et ses collègues ont collecté une lumière polarisée diffusée par des nanotubes avec un objectif de 0,8 NA, mais ont utilisé un faisceau incident beaucoup plus étroit pour créer une lumière d'éclairage à partir d'un laser supercontinuum avec une NA beaucoup plus petite. Le résultat a été une polarisation d'un ordre de grandeur supérieur à ce qui a été obtenu avec la microscopie polarisée conventionnelle et la résolution spatiale à l'échelle nanométrique. Cela leur a permis d'obtenir des profils de chiralité complets de centaines de nanotubes de carbone cultivés, et pour effectuer une surveillance in situ dans des dispositifs à effet de champ actifs.

"Nous avons observé que les résonances optiques des nanotubes d'ordre élevé sont considérablement élargies par le dopage électrostatique, un comportement inattendu qui pointe vers de forts processus de diffusion électron-électron interbande dominant la dynamique ultrarapide des états excités dans les nanotubes de carbone, " dit Wang.

En plus des nanotubes de carbone monoparoi individuels, Wang et ses collègues affirment que leur technique peut également être utilisée pour améliorer considérablement le contraste optique d'autres matériaux nanométriques anisotropes qui sont « invisibles » pour les microscopes optiques conventionnels, y compris les nanorubans de graphène, nanofils et nanotiges semi-conducteurs, et les nanobiomatériaux tels que les filaments d'actine.