Des chimistes de l'Université de l'Oregon ont mis au point un moyen de voir les structures internes des ondes électroniques piégées dans les nanotubes de carbone par des charges électrostatiques externes.

Les nanotubes de carbone ont été présentés comme des matériaux exceptionnels dotés de propriétés uniques permettant un transport de charge et d'énergie extrêmement efficace, avec le potentiel d'ouvrir la voie à de nouvelles, types d'appareils électroniques et photovoltaïques plus efficaces. Cependant, ces pièges, ou défauts, dans les nanotubes ultra-minces peuvent compromettre leur efficacité.

À l'aide d'un microscope spécialement conçu pour imager la matière à l'échelle atomique, les chercheurs ont pu visualiser des pièges, ce qui peut nuire au flux d'électrons et de paquets d'énergie élémentaire appelés excitons.

L'étude, dit George V. Nazin, professeur de chimie physique, modélisé le comportement souvent observé dans les dispositifs électroniques à base de nanotubes de carbone, où les pièges électroniques sont induits par des charges externes stochastiques à proximité immédiate des nanotubes. Les charges externes attirent et piègent les électrons se propageant à travers les nanotubes.

"Notre visualisation devrait être utile pour le développement d'une image plus précise de la propagation des électrons à travers les nanotubes dans des applications réelles, où les nanotubes sont toujours soumis à des perturbations externes pouvant potentiellement conduire à la création de ces pièges, " il a dit.

La recherche, détaillé dans un article du Journal des lettres de chimie physique , a été réalisée avec un microscope à effet tunnel à ultra-vide couplé à un cryostat à cycle fermé, un nouveau dispositif conçu pour être utilisé dans le laboratoire de Nazin. Le cryostat a permis à Nazin et à ses co-auteurs Dmitry A. Kislitsyn et Jason D. Hackley, les deux doctorants, abaisser la température à 20 Kelvin pour geler tous les mouvements à l'échelle nanométrique, et visualiser les structures internes d'objets à l'échelle nanométrique.

L'appareil a capturé la structure interne des ondes électroniques piégées dans de courtes sections, à peine quelques nanomètres de long, de nanotubes partiellement suspendus au-dessus d'une surface d'or atomiquement plate. Les propriétés des vagues, dans une large mesure, Nazin a dit, déterminer la transmission des électrons à travers de tels pièges électroniques. Les électrons qui se propagent doivent être en résonance avec les ondes localisées pour qu'une transmission électronique efficace se produise.

"Étonnamment, en réglant finement les énergies des électrons en propagation, nous avons trouvé que, en plus de ces canaux de transmission de résonance, d'autres résonances sont également possibles, avec des énergies correspondant à celles des vibrations spécifiques des nanotubes de carbone, " a-t-il dit. " Ces nouveaux canaux de transmission correspondent à des résonances 'vibroniques', où les ondes électroniques piégées excitent les vibrations des atomes de carbone formant le piège électronique."

Le microscope utilisé par l'équipe est détaillé séparément dans un article disponible gratuitement (Microscope à effet tunnel cryogénique à haute stabilité basé sur un cryostat à cycle fermé) mis en ligne le 7 octobre par la revue Examen des instruments scientifiques .